Pruebas de fatiga

Determinación de la resiliencia de un material o estructura frente a cargas cíclicas.

Prueba de fatiga IABG del ala del Airbus A380 (mostrando el ala desviada hacia arriba superpuesta al ala descargada). El ala se probó en un total de 47.500 vuelos, lo que supone 2,5 veces el número de vuelos en 25 años de funcionamiento. Cada vuelo de 16 horas tardó 11 minutos en simularse en el banco de pruebas de fatiga. ^[1]

La prueba de fatiga es una forma especializada de prueba mecánica que se realiza aplicando carga cíclica a un cupón o estructura. Estas pruebas se utilizan para generar datos sobre la vida por fatiga y el crecimiento de grietas, identificar ubicaciones críticas o demostrar la seguridad de una estructura que puede ser susceptible a la fatiga. Las pruebas de fatiga se utilizan en una variedad de componentes, desde cupones hasta artículos de prueba de tamaño completo, como automóviles y aviones .

Las pruebas de fatiga en cupones generalmente se realizan utilizando máquinas de prueba servohidráulicas que son capaces de aplicar cargas cíclicas de gran amplitud variable . ^{[2] Las pruebas} de amplitud constante también se pueden aplicar mediante máquinas oscilantes más simples. La vida útil de un cupón es el número de ciclos que se necesitan para romper el cupón. Estos datos se pueden utilizar para crear curvas de tensión-vida o deformación-vida. La tasa de crecimiento de grietas en un cupón también se puede medir, ya sea durante la prueba o después usando fractografía . Las pruebas de cupones también se pueden realizar dentro de cámaras ambientales donde se puede controlar la temperatura, la humedad y el ambiente que pueden afectar la tasa de crecimiento de las grietas.

Debido al tamaño y la forma única de los artículos de prueba de tamaño completo, se construyen bancos de prueba especiales para aplicar cargas a través de una serie de actuadores hidráulicos o eléctricos . Los actuadores tienen como objetivo reproducir las cargas importantes que experimenta una estructura, que en el caso de las aeronaves, pueden consistir en cargas de maniobra, ráfagas, sacudidas y tierra-aire-tierra (GAG). Se aplica repetidamente una muestra o bloque de carga representativo hasta que se haya demostrado la vida útil segura de la estructura o se produzcan fallas que deban repararse. Instrumentación como células de carga , galgas extensométricas y medidores de desplazamiento se instalan en la estructura para garantizar que se haya aplicado la carga correcta. Se realizan inspecciones periódicas de la estructura alrededor de concentraciones de tensión críticas , como orificios y accesorios, para determinar el momento en que se encontraron grietas detectables y para garantizar que cualquier grieta que ocurra no afecte otras áreas del artículo de prueba. Debido a que no se pueden aplicar todas las cargas, cualquier carga estructural desequilibrada generalmente reacciona hacia el piso de prueba a través de una estructura no crítica, como el tren de aterrizaje.

Las normas de aeronavegabilidad generalmente exigen que se realice una prueba de fatiga para aeronaves grandes antes de la certificación para determinar su vida segura . ^[3] Las aeronaves pequeñas pueden demostrar seguridad mediante cálculos, aunque normalmente se utilizan factores de dispersión o de seguridad mayores debido a la incertidumbre adicional involucrada.

Pruebas de cupones

Máquina de ensayo de fatiga MTS-810

Las pruebas de fatiga se utilizan para obtener datos del material, como la tasa de crecimiento de una grieta por fatiga, que se pueden usar con ecuaciones de crecimiento de grieta para predecir la vida por fatiga. Estas pruebas generalmente determinan la tasa de crecimiento de grietas por ciclo versus el rango del factor de intensidad de tensión , donde el factor de intensidad de tensión mínimo corresponde a la carga mínima y se toma como cero para , y es la relación de tensión . Se han desarrollado pruebas estandarizadas para garantizar la repetibilidad y permitir que el factor de intensidad de tensión se determine fácilmente, pero se pueden usar otras formas siempre que el cupón sea lo suficientemente grande como para ser mayoritariamente elástico. ^[4] ${\displaystyle da/dN}$ ${\displaystyle \Delta K=K_{\max }-K_{\min }}$ ${\displaystyle K_{\min }}$ ${\displaystyle R>0}$ ${\displaystyle R\leq 0}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R=K_{\min }/K_{\max }}$

Forma de cupón

Se pueden utilizar una variedad de cupones, pero algunos de los más comunes son:

• Cupón de tensión compacto (CT). La muestra compacta utiliza la menor cantidad de material para una muestra que se utiliza para medir el crecimiento de grietas. ^[4] Las muestras de tensión compactas suelen utilizar pasadores que son ligeramente más pequeños que los orificios del cupón para aplicar las cargas. Sin embargo, este método impide la aplicación precisa de cargas cercanas a cero y, por lo tanto, no se recomienda el cupón cuando es necesario aplicar cargas negativas. ^[4]
• Panel de tensión central agrietado (CCT). La muestra de tensión fisurada central o de tensión media está hecha de una lámina o barra plana que contiene dos orificios para sujetarla a las mordazas.
• Cupón de tensión de muesca de borde único (ENVIADO). ^[5] El cupón de un solo borde es una versión alargada del cupón de tensión compacto.

Instrumentación

La siguiente instrumentación se utiliza comúnmente para monitorear las pruebas de cupones:

• Las galgas extensométricas se utilizan para monitorear la carga aplicada o los campos de tensión alrededor de la punta de la grieta. Pueden colocarse debajo del recorrido de la grieta o en la cara posterior de un cupón de tensión compacto. ^[6]
• Se puede utilizar un extensómetro o medidor de desplazamiento para medir el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta en la boca de una grieta. Este valor se puede utilizar para determinar el factor de intensidad de tensión que cambiará con la longitud de la grieta. Los medidores de desplazamiento también se pueden usar para medir la conformidad de un cupón y la posición durante el ciclo de carga cuando ocurre el contacto entre las caras opuestas de la grieta para medir el cierre de la grieta .
• Las cargas de prueba aplicadas generalmente se monitorean en la máquina de prueba con una celda de carga.
• Se puede utilizar un microscopio óptico móvil para medir la posición de la punta de la grieta.

Pruebas de fatiga a escala real

Prueba de fatiga en Boeing Everett

Se pueden utilizar pruebas a gran escala para:

1. Validar el cronograma de mantenimiento de aeronaves propuesto.
2. Demostrar la seguridad de una estructura que puede ser susceptible a daños generalizados por fatiga.
3. Generar datos de fatiga
4. Validar las expectativas de inicio de grietas y patrón de crecimiento.
5. Identificar ubicaciones críticas
6. Validar el software utilizado para diseñar y fabricar la aeronave.

Las pruebas de fatiga también se pueden utilizar para determinar en qué medida el daño generalizado por fatiga puede ser un problema.

Artículo de prueba

La certificación requiere conocer y dar cuenta del historial de carga completo que ha experimentado un artículo de prueba. El uso de artículos de prueba que se han utilizado anteriormente para pruebas de resistencia estática ha causado problemas en los que se han aplicado sobrecargas y que pueden retardar la tasa de crecimiento de grietas por fatiga.

Las cargas de prueba generalmente se registran utilizando un sistema de adquisición de datos que adquiere datos de posiblemente miles de entradas de instrumentación instalada en el artículo de prueba, que incluyen: galgas extensométricas, manómetros, celdas de carga, LVDT, etc.

Las grietas por fatiga generalmente se inician en regiones de alta tensión, como concentraciones de tensión o defectos de material y fabricación. Es importante que el artículo de prueba sea representativo de todas estas características.

Las grietas pueden iniciarse a partir de las siguientes fuentes:

• Preocupación , generalmente por cargas dinámicas con un alto número de ciclos.
• Orificios mal perforados o de tamaño incorrecto para sujetadores de ajuste de interferencia . ^[7]
• Tratamiento del material y defectos como inclusiones rotas . ^[8]
• Concentraciones de tensiones como agujeros y filetes.
• Arañazos, daños por impacto.

Secuencia de carga

Se aplica repetidamente un bloque de carga representativo hasta que se haya demostrado la vida útil segura de la estructura o se produzcan fallas que deban repararse. El tamaño de la secuencia se elige de modo que las cargas máximas que pueden causar efectos de retardo se apliquen con suficiente frecuencia, típicamente al menos diez veces durante toda la prueba, de modo que no haya efectos de secuencia. ^[9]

La secuencia de carga generalmente se filtra para eliminar la aplicación de pequeños ciclos dañinos sin fatiga que tardarían demasiado en aplicarse. Normalmente se utilizan dos tipos de filtrado:

1. El filtrado de banda muerta elimina pequeños ciclos que caen completamente dentro de un cierto rango, como +/-3g.
2. El filtrado de subida y bajada elimina ciclos pequeños que son inferiores a un cierto rango, como 1 g.

La velocidad de prueba de estructuras grandes generalmente se limita a unos pocos Hz y debe evitar la frecuencia de resonancia de la estructura. ^[10]

Banco de pruebas

Banco de pruebas de fatiga en la base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson

Todos los componentes que no forman parte del artículo de prueba o de la instrumentación se denominan banco de pruebas . Los siguientes componentes se encuentran normalmente en las pruebas de fatiga a gran escala :

• Whiffletrees . Para aplicar las cargas correctas a varias partes de la estructura, se utiliza un mecanismo conocido como whiffletree para distribuir las cargas desde un actuador de carga al artículo de prueba. Las cargas aplicadas a un punto central se distribuyen a través de una serie de vigas conectadas articuladas con pasadores para producir cargas conocidas en las conexiones de los extremos. Normalmente, cada conexión de extremo está unida a una almohadilla que está unida a la estructura, como el ala de un avión. Generalmente se aplican cientos de almohadillas para reproducir las cargas aerodinámicas e inerciales que se observan en el ala. Debido a que el whiffletree consta de enlaces de tensión, no pueden aplicar cargas de compresión y, por lo tanto, normalmente se usan whiffletrees independientes en los lados superior e inferior de las pruebas de fatiga del ala.
• Se utilizan actuadores hidráulicos, electromagnéticos o neumáticos para aplicar cargas a la estructura, ya sea directamente o mediante el uso de un whiffletree para distribuir las cargas. Se coloca una celda de carga en línea con el actuador y el controlador de carga la utiliza para controlar las cargas en el actuador. Cuando se utilizan muchos actuadores en una estructura de prueba flexible, puede haber interacción cruzada entre los diferentes actuadores. El controlador de carga debe garantizar que como resultado de esta interacción no se apliquen ciclos de carga espurios a la estructura.
• Restricciones de reacción. Muchas de las cargas, como las fuerzas aerodinámicas e internas, reaccionan mediante fuerzas internas que no están presentes durante una prueba de fatiga. Por lo tanto, las cargas reaccionan fuera de la estructura en puntos no críticos, como el tren de aterrizaje o mediante restricciones en el fuselaje.
• El transformador diferencial lineal variable se puede utilizar para medir el desplazamiento de ubicaciones críticas en la estructura. Los límites de estos desplazamientos se pueden utilizar para señalar cuando una estructura ha fallado y para detener automáticamente la prueba.
• Estructura no representativa. Algunas estructuras de prueba pueden ser costosas o no estar disponibles y normalmente se reemplazan en la estructura de prueba con una estructura equivalente. La estructura que está cerca de los puntos de fijación del actuador puede sufrir una carga poco realista que hace que estas áreas no sean representativas.

Instrumentación

Normalmente se utiliza la siguiente instrumentación en una prueba de fatiga:

• medidores de deformación
• acelerómetros
• medidores de desplazamiento
• células de carga
• sensor de grietas
• sensores de monitoreo de salud estructural

Es importante instalar galgas extensométricas en el artículo de prueba que también se utilizan para monitorear aviones de flota. Esto permite realizar en el artículo de prueba los mismos cálculos de daños que se utilizan para realizar un seguimiento de la vida útil de los aviones de la flota. Esta es la forma principal de garantizar que los aviones de la flota no excedan la vida segura determinada a partir de la prueba de fatiga.

Inspecciones

Las inspecciones forman un componente de una prueba de fatiga. Es importante saber cuándo ocurre una grieta detectable para determinar la vida útil certificada de cada componente, además de minimizar el daño a la estructura circundante y desarrollar reparaciones que tengan un impacto mínimo en la certificación de la estructura adyacente. Se pueden realizar inspecciones no destructivas durante las pruebas y se pueden utilizar pruebas destructivas al final de las pruebas para garantizar que la estructura conserve su capacidad de carga.

Certificación

La interpretación y certificación de pruebas implica el uso de los resultados de la prueba de fatiga para justificar la vida útil y el funcionamiento seguro de un artículo. ^[11] El propósito de la certificación es garantizar que la probabilidad de falla en el servicio sea aceptablemente pequeña. Es posible que sea necesario considerar los siguientes factores:

• número de pruebas
• simetría de la estructura de prueba y la carga aplicada
• instalación y certificación de reparaciones
• factores de dispersión
• variabilidad de materiales y procesos de fabricación
• ambiente
• criticidad

Los estándares de aeronavegabilidad generalmente requieren que una aeronave permanezca segura incluso con la estructura en un estado degradado debido a la presencia de grietas por fatiga. ^[12]

Pruebas de fatiga notables

• Pruebas de carga a prueba de frío del F-111 . Estas pruebas implicaron la aplicación de cargas límite estáticas a aeronaves que habían sido enfriadas para reducir el tamaño crítico de la fractura. Pasar la prueba significó que no había grandes grietas por fatiga presentes. Cuando había grietas, las alas fallaban catastróficamente. ^[8]
• El Programa Internacional de Pruebas de Fatiga Estructural de Seguimiento (IFOSTP) fue una empresa conjunta entre Australia, Canadá y Estados Unidos para realizar pruebas de fatiga del F/A-18 Hornet . La prueba australiana implicó el uso de agitadores electrodinámicos y bolsas de aire neumáticas para simular un alto ángulo de ataque de cargas sobre el empenaje . ^{[13] [14]}
• El cometa de Havilland sufrió una serie de fallas catastróficas que finalmente resultaron ser fatiga a pesar de haber sido sometido a pruebas de fatiga.
• Se llevaron a cabo pruebas de fatiga en 110 juegos de alas del Mustang para determinar la dispersión de la vida a fatiga. ^[10]
• La novela No Highway y la película No Highway in the Sky trataban sobre la prueba de fatiga ficticia del fuselaje de un avión de pasajeros.
• Las pruebas de fatiga también se han utilizado para hacer crecer grietas por fatiga que son demasiado pequeñas para ser detectadas. ^[15]

Referencias

1. "Programa de pruebas y certificación" . Consultado el 27 de febrero de 2020 .
2. "Sistemas de prueba de alta velocidad" (PDF) . MTS . Consultado el 26 de junio de 2019 .
3. "FAA PARTE 23 — Estándares de aeronavegabilidad: aviones de categoría normal" . Consultado el 26 de junio de 2019 .
4. Comité ASTM E08.06 (2013). Método de prueba estándar E647 para medir las tasas de crecimiento de grietas por fatiga . ASTM Internacional .{{cite book}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
5. "Prueba de tensión de muesca de un solo borde". NIST . Consultado el 26 de junio de 2019 .
6. Newman, JC; Yamada, Y.; James, MA (2011). "Relación de cumplimiento de la deformación de la cara posterior para muestras compactas para una amplia gama de longitudes de grietas". Ingeniería Mecánica de Fracturas . 78 (15): 2707–2711. doi :10.1016/j.engfracmech.2011.07.001.
7. Clark, G.; Yost, GS; Young, GD "Recuperación de la flota RAAF MB326H; la historia de una flota de entrenadores que envejece". "Fatiga en aeronaves nuevas y envejecidas ". Consultado el 26 de junio de 2019 .
8. Redmond, Gerard. "De la 'vida segura' a la mecánica de fracturas: pruebas de prueba de temperatura fría del avión F111 en RAAF Amberley" . Consultado el 17 de abril de 2019 .
9. Requisitos de diseño y aeronavegabilidad para aeronaves de servicio (Reporte). Reino Unido, Ministerio de Defensa. mil novecientos ochenta y dos.
10. Molent, L. (2005). La historia de las pruebas de fatiga estructural en Fishermans Bend Australia (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 26 de junio de 2019 . Consultado el 26 de junio de 2019 .
11. Requisitos de diseño y aeronavegabilidad para aeronaves de servicio . Reino Unido, Ministerio de Defensa. mil novecientos ochenta y dos.
12. "Aviones de categoría de transporte de normas de aeronavegabilidad de la FAA, evaluación de la estructura de tolerancia al daño y fatiga" . Consultado el 2 de febrero de 2021 .
13. "Prueba de fatiga por vibración del empenaje del F/A-18". Grupo de Ciencia y Tecnología de la Defensa . Consultado el 26 de junio de 2019 .
14. Simpson, DL; Landry, N.; Roussel, J.; Molent, L.; Schmidt, N. "El proyecto de prueba estructural de seguimiento internacional canadiense y australiano F/A-18" (PDF) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
15. Molent, L.; Dixon, B.; Trueque, S.; Blanco, P.; Molinos, T.; Maxfield, K.; Swanton, G.; Principal, B. (2009). "Desmontaje mejorado de fuselajes centrales F/A-18A/B/C/D en servicio". 25º Simposio del ICAF - Rotterdam, 27 a 29 de mayo de 2009 .

Otras lecturas

• Daños por fatiga generalizados en aviones militares (PDF) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
• Boyer, HE "Pruebas de fatiga" . Consultado el 26 de junio de 2019 .

enlaces externos

"El Boeing 787 realiza pruebas de fatiga". YouTube . Consultado el 18 de julio de 2019 .