Determinación de la resiliencia de un material o estructura frente a cargas cíclicas.
Prueba de fatiga de la IABG del ala del Airbus A380 (que muestra el ala desviada hacia arriba superpuesta al ala descargada). El ala se probó durante un total de 47.500 vuelos, lo que supone 2,5 veces la cantidad de vuelos en 25 años de operación. Cada vuelo de 16 horas tardó 11 minutos en simularse en el banco de pruebas de fatiga. [1]
Las pruebas de fatiga son una forma especializada de pruebas mecánicas que se realizan aplicando cargas cíclicas a una muestra o estructura. Estas pruebas se utilizan para generar datos sobre la vida útil 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 muestras hasta artículos de prueba de tamaño completo, como automóviles y aviones .
Las pruebas de fatiga en cupones se realizan típicamente utilizando máquinas de prueba servohidráulicas que son capaces de aplicar grandes cargas cíclicas de amplitud variable . [2] Las pruebas de amplitud constante también se pueden aplicar mediante máquinas oscilantes más simples. La vida útil por fatiga de un cupón es el número de ciclos que se necesitan para romper el cupón. Estos datos se pueden utilizar para crear curvas de vida útil por tensión o de vida útil por deformación. La tasa de crecimiento de grietas en un cupón también se puede medir, ya sea durante la prueba o después, utilizando fractografía . Las pruebas de cupones también se pueden realizar dentro de cámaras ambientales donde se pueden controlar la temperatura, la humedad y el entorno que pueden afectar la tasa de crecimiento de grietas.
Debido al tamaño y la forma única de los artículos de prueba de tamaño real, 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 significativas experimentadas por una estructura, que en el caso de las aeronaves, pueden consistir en maniobras, ráfagas, sacudidas y cargas tierra-aire-tierra (GAG). Se aplica una muestra representativa o un bloque de carga repetidamente hasta que se haya demostrado la vida útil segura de la estructura o se produzcan fallas que deban repararse. Se instalan instrumentación como celdas de carga , medidores de tensión y medidores de desplazamiento 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 se transmite al piso de prueba a través de una estructura no crítica, como el tren de aterrizaje.
Las normas de aeronavegabilidad generalmente requieren que se realice una prueba de fatiga para aeronaves grandes antes de la certificación para determinar su vida útil segura . [3] Las aeronaves pequeñas pueden demostrar seguridad a través de cálculos, aunque normalmente se utilizan factores de dispersión o seguridad más grandes 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 puede utilizar con ecuaciones de crecimiento de grietas para predecir la vida útil por fatiga. Estas pruebas suelen determinar la tasa de crecimiento de grietas por ciclo frente al rango del factor de intensidad de tensión , donde el factor de intensidad de tensión mínimo corresponde a la carga mínima para 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 utilizar otras formas siempre que la muestra sea lo suficientemente grande como para ser mayoritariamente elástica. [4]
Forma del cupón
Se pueden utilizar una variedad de cupones, pero algunos de los más comunes son:
Cupón de tensión compacto (CT). El espécimen compacto utiliza la menor cantidad de material para un espécimen que se utiliza para medir el crecimiento de grietas. [4] Los especímenes de tensión compactos 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 se deben aplicar cargas negativas. [4]
Panel de tensión agrietada en el centro (CCT). La muestra de tensión agrietada en el centro o de tensión media está hecha de una lámina o barra plana que contiene dos orificios para sujetarla a las mordazas.
Cupón de tensión con entalla de un solo borde (SENT). [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 pruebas de cupones:
Los extensómetros se utilizan para controlar la carga aplicada o los campos de tensión alrededor de la punta de la grieta. Pueden colocarse debajo de la trayectoria de la grieta o en la cara posterior de un cupón de tensión compacto. [6]
Se puede utilizar un extensómetro o un medidor de desplazamiento para medir el desplazamiento de la apertura de la punta de la grieta en la boca de la misma. Este valor se puede utilizar para determinar el factor de intensidad de la tensión que cambiará con la longitud de la grieta. Los medidores de desplazamiento también se pueden utilizar para medir la flexibilidad de una probeta y la posición durante el ciclo de carga cuando se produce el contacto entre las caras opuestas de la grieta para medir el cierre de la grieta .
Las cargas de prueba aplicadas generalmente se controlan 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
Las pruebas a escala real se pueden utilizar para:
Validar el programa de mantenimiento de aeronaves propuesto.
Demostrar la seguridad de una estructura que puede ser susceptible a daños generalizados por fatiga.
Generar datos de fatiga
Validar las expectativas sobre el inicio de grietas y el patrón de crecimiento.
Identificar ubicaciones críticas
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 por fatiga generalizada puede ser un problema.
Artículo de prueba
La certificación requiere conocer y contabilizar el historial completo de cargas que ha experimentado un artículo de prueba. El uso de artículos de prueba que se han utilizado previamente para pruebas estáticas ha causado problemas en los casos en que se han aplicado sobrecargas que pueden retardar la velocidad de crecimiento de las 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, incluidos: medidores de tensión, manómetros, celdas de carga, LVDT, etc.
Las grietas por fatiga suelen iniciarse en regiones de alta tensión, como concentraciones de tensión o defectos de fabricación y de material. Es importante que el artículo de prueba sea representativo de todas estas características.
Las grietas pueden iniciarse por las siguientes fuentes:
Fretado , generalmente debido a cargas dinámicas con un elevado número de ciclos.
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 un bloque representativo de carga repetidamente 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 la suficiente frecuencia, normalmente al menos diez veces durante 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 que no provoquen fatiga y que llevarían demasiado tiempo. Normalmente se utilizan dos tipos de filtrado:
El filtrado de banda muerta elimina los ciclos pequeños que caen completamente dentro de un rango determinado, como +/-3g.
El filtrado de subida y bajada elimina los ciclos pequeños que son inferiores a un determinado rango, como 1 g.
La velocidad de prueba de estructuras grandes normalmente está limitada a unos pocos Hz y debe evitarse la frecuencia de resonancia de la estructura. [10]
Banco de pruebas
Banco de pruebas de fatiga en la base 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 pruebas de fatiga a escala real :
Árboles de vibraciones . Para aplicar las cargas correctas a las distintas partes de la estructura, se utiliza un mecanismo conocido como árbol de vibraciones para distribuir las cargas desde un actuador de carga hasta el artículo de prueba. Las cargas aplicadas a un punto central se distribuyen a través de una serie de vigas conectadas mediante pasadores para producir cargas conocidas en las conexiones de los extremos. Cada conexión de extremo suele estar unida a una almohadilla que está adherida a la estructura, como el ala de un avión. Por lo general, se aplican cientos de almohadillas para reproducir las cargas aerodinámicas e inerciales que se observan en el ala. Debido a que el árbol de vibraciones consta de enlaces de tensión, no puede aplicar cargas de compresión y, por lo tanto, normalmente se utilizan árboles de vibraciones 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 que se aplican al 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 no se apliquen ciclos de carga falsos a la estructura como resultado de esta interacción.
Restricciones de reacción. Muchas de las cargas, como las fuerzas aerodinámicas e internas, se ven afectadas por fuerzas internas que no están presentes durante una prueba de fatiga. Por lo tanto, las cargas se expulsan de la estructura en puntos no críticos, como el tren de aterrizaje o a través de restricciones en el fuselaje.
El transformador diferencial variable lineal se puede utilizar para medir el desplazamiento de puntos críticos de la estructura. Los límites de estos desplazamientos se pueden utilizar para indicar cuándo ha fallado una estructura y para detener automáticamente la prueba.
Estructura no representativa. Algunas estructuras de prueba pueden ser costosas o no estar disponibles y, por lo general, se reemplazan en la estructura de prueba por una estructura equivalente. La estructura que está cerca de los puntos de conexión del actuador puede estar expuesta a una carga poco realista que hace que estas áreas no sean representativas.
Instrumentación
En una prueba de fatiga se suele utilizar la siguiente instrumentación:
Es importante instalar en el artículo de prueba cualquier extensómetro que también se utilice para monitorear las aeronaves de la flota. Esto permite realizar en el artículo de prueba los mismos cálculos de daños que se utilizan para rastrear la vida útil por fatiga de las aeronaves de la flota. Esta es la forma principal de garantizar que las aeronaves de la flota no excedan la vida útil segura determinada a partir de la prueba de fatiga.
Inspecciones
Las inspecciones forman parte de una prueba de fatiga. Es importante saber cuándo se produce 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.
Proceso de dar un título
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 seguros de un elemento. [11] El objetivo de la certificación es garantizar que la probabilidad de falla en servicio sea aceptablemente pequeña. Es posible que se deban 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 del material y del proceso de fabricación
ambiente
criticidad
Las normas de aeronavegabilidad generalmente exigen 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 en 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 grietas de fatiga grandes presentes. Cuando había grietas, las alas fallaban catastróficamente. [8]
El Programa Internacional de Pruebas de Fatiga Estructural de Seguimiento (IFOSTP) fue una iniciativa conjunta entre Australia, Canadá y los EE. UU. para realizar pruebas de fatiga al F/A-18 Hornet . La prueba australiana implicó el uso de agitadores electrodinámicos y bolsas de aire neumáticas para simular cargas de sacudidas de alto ángulo de ataque sobre el empenaje . [13] [14]
De Havilland Comet sufrió una serie de fallos catastróficos que finalmente demostraron ser debidos a fatiga, a pesar de haber sido sometidos a pruebas de fatiga.
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.
También se han utilizado pruebas de fatiga para generar grietas por fatiga que son demasiado pequeñas para ser detectadas. [15]
Referencias
^ "Programa de pruebas y certificación" . Consultado el 27 de febrero de 2020 .
^ "Sistemas de prueba de alta velocidad" (PDF) . MTS . Consultado el 26 de junio de 2019 .
^ "FAA PART 23—Airworthiness Standards: Normal Category Airplanes" (Normas de aeronavegabilidad: aviones de categoría normal) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
^ abcdefghi Comité ASTM E08.06 (2013). Método de prueba estándar E647 para la medición de las tasas de crecimiento de grietas por fatiga . ASTM International .{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ "Prueba de tensión de entalla de un solo borde". NIST . Consultado el 26 de junio de 2019 .
^ Newman, JC; Yamada, Y.; James, MA (2011). "Relación de cumplimiento de la deformación de la cara posterior para muestras compactas para un amplio rango de longitudes de grietas". Mecánica de fracturas en ingeniería . 78 (15): 2707–2711. doi :10.1016/j.engfracmech.2011.07.001.
^ Clark, G.; Yost, GS; Young, GD "Recuperación de la flota MB326H de la RAAF; la historia de una flota de aviones de entrenamiento envejecida". Fatiga en aeronaves nuevas y envejecidas . Consultado el 26 de junio de 2019 .
^ ab Redmond, Gerard. "De la 'vida segura' a la mecánica de fracturas: pruebas de resistencia a bajas temperaturas del avión F111 en la RAAF Amberley". Archivado desde el original el 27 de abril de 2019. Consultado el 17 de abril de 2019 .
^ Requisitos de diseño y aeronavegabilidad para aeronaves de servicio (informe). Reino Unido, Ministerio de Defensa. 1982.
^ ab Molent, L. (2005). Historia de las pruebas de fatiga estructural en Fishermans Bend, Australia (PDF) . Archivado (PDF) del original el 26 de junio de 2019. Consultado el 26 de junio de 2019 .
^ Requisitos de diseño y aeronavegabilidad para aeronaves de servicio . Reino Unido, Ministerio de Defensa. 1982.
^ "Estándares de aeronavegabilidad de la FAA para aviones de categoría de transporte, evaluación de la tolerancia a daños y fatiga de la estructura" . Consultado el 2 de febrero de 2021 .
^ Simpson, DL; Landry, N.; Roussel, J.; Molent, L.; Schmidt, N. "Proyecto de seguimiento estructural internacional canadiense y australiano del F/A-18" (PDF) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
^ Molent, L.; Dixon, B.; Barter, S.; White, P.; Mills, T.; Maxfield, K.; Swanton, G.; Main, B. (2009). "Desmontaje mejorado de fuselajes centrales de F/A-18A/B/C/D en servicio". 25.º Simposio de la ICAF, Róterdam, 27-29 de mayo de 2009 .
