Analisi del danneggiamento a fatica mediante l’utilizzo di ... · Diagnostic engineering...
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40 Compositi Analisi del danneggiamento a fatica mediante l’utilizzo di metodi termici Umberto Galietti, Diagnostic Engineering Solutions srl Giuseppe P. Demelio, Rosa De Finis, Davide Palumbo - Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management, Politecnico di Bari 5]. Durante ogni step sono stati acquisi- ti dei filmati termografici con una termo- camera Flir X6540sc (frame/rate 123 Hz) (fig.1) poi analizzati con il software IRTA ® . Tale software permette di otte- nere attraverso l’analisi TSA non solo la mappa di ampiezza del segnale termo- grafico (T1) ma anche la mappa di am- piezza che varia con frequenza doppia rispetto a quella di carico (T2) [2]. RISULTATI E DISCUSSIONE In figura 2 sono mostrate le curve di Wöhler (S-N) ottenute con test ad am- piezza di carico costante su 7 provini. Da tali curve è possibile ottenere una stima del limite di fatica in corrispondenza di un numero di cicli pari a 2*10 6 cicli. Si ottiene una σ max = 124.7 MPa che corri- sponde ad una ampiezza di carico pari a ∆σ = 112.2 MPa. In figura 3 è presente come esempio l’andamento del segnale di ampiezza T2 (componente del segnale al doppio del- la frequenza di carico) derivante dall’a- nalisi delle sequenze. È evidente un au- mento significativo del segnale appena viene oltrepassato il limite di fatica del Le norme presenti sulla progettazione delle pale eoliche richiedono l’utilizzo di coefficienti di sicurezza che dipendo- no dal grado di conoscenza del compor- tamento meccanico dei materiali, sia di tipo statico che a fatica. In tal senso, ne- gli ultimi anni, le tecniche termografiche sono sempre più utilizzate per lo studio del danneggiamento a fatica di provini e componenti in quanto consentono di osservare i vari fenomeni coinvolti du- rante una prova sperimentale in tempo reale e senza richiedere il contatto con il componente. In letteratura sono presenti molti lavori che propongono differenti procedure e parametri legati direttamente al segna- le termico e che possono essere asso- ciati al danneggiamento a fatica [1], [2]. In particolare, la temperatura o meglio il suo andamento caratteristico durante un test di fatica [1], consente di rilevare il limite di fatica del materiale in tempi molto rapidi soprattutto se quest’ultimi sono confrontati con quelli richiesti dal- le prove classiche di fatica (ad esempio il metodo “Stair-Case”). Tuttavia in altri lavori [3], [4] è stato dimostrato come la temperatura non sia in grado di de- scrivere in maniera diretta i fenomeni di danneggiamento, a causa della sua ele- vata sensibilità alle variazioni della tem- peratura ambiente e al set-up utilizzato per la prova. Inoltre, le procedure di ana- lisi sviluppate in primo luogo per i mate- riali metallici, non tengono conto dei fe- nomeni dissipativi dovuti, ad esempio al comportamento viscoelastico della resi- na, che si sovrappongono a quelli dovuti ai complessi meccanismi di danneggia- mento nei materiali compositi. Per superare le problematiche sopra elencate, viene proposta una nuova me- todologia di analisi basata sulla Tecnica Termoelastica di Analisi delle Sollecita- zioni (TSA) per lo studio del danneggia- mento a fatica di materiali compositi e valutazione del limite di fatica. In parti- colare i risultati derivanti dalle prove ter- mografiche sono stati confrontati con quelli ottenuti tramite una classica cur- va S-N. MATERIALE E SET-UP DI PROVA Il materiale oggetto di prova è costitui- to da fibre di vetro e resina epossidica (GFRP), tipicamente utilizzato per la co- struzione di pale eoliche. I provini usati per i test sono costituiti da 4 lamine aventi fibre disposte in ma- niera differente. In particolare, sono pre- senti 2 lamine interne con fibre unidire- zionali e 2 esterne costituite da 4 strati quadriassiali con fibra a 0°/90°/45°/- 45°. Da un laminato più grande, sono stati ricavati in totale 12 provini rettan- golari 25x300 mm secondo normativa ASTM D 3479 di cui n. 7 provini sono stati utilizzati per ricavare la curva S-N e n. 5 provini per le prove termografi- che. Tutte le prove le prove sono state condotte utilizzando un rapporto di cari- co R=0.1 e frequenza di carico pari a 7 Hz con una macchina di carico servoi- draulica MTS. Le prove termografiche sono state con- dotte con una procedura a step di carico crescente fino alla rottura del provino [3- Fig.1: Set-up sperimentale utilizzato e provino a fine prova
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40 Compositi
Analisi del danneggiamentoa fatica mediantel’utilizzo di metodi termiciUmberto Galietti, Diagnostic Engineering Solutions srlGiuseppe P. Demelio, Rosa De Finis, Davide Palumbo - Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management, Politecnico di Bari
5]. Durante ogni step sono stati acquisi-ti dei filmati termografici con una termo-camera Flir X6540sc (frame/rate 123 Hz) (fig.1) poi analizzati con il software IRTA®. Tale software permette di otte-nere attraverso l’analisi TSA non solo la mappa di ampiezza del segnale termo-grafico (T1) ma anche la mappa di am-piezza che varia con frequenza doppia rispetto a quella di carico (T2) [2].
RISULTATI E DISCUSSIONEIn figura 2 sono mostrate le curve di Wöhler (S-N) ottenute con test ad am-piezza di carico costante su 7 provini. Da tali curve è possibile ottenere una stima del limite di fatica in corrispondenza di un numero di cicli pari a 2*106 cicli. Si ottiene una σmax= 124.7 MPa che corri-sponde ad una ampiezza di carico pari a ∆σ= 112.2 MPa.In figura 3 è presente come esempio l’andamento del segnale di ampiezza T2 (componente del segnale al doppio del-la frequenza di carico) derivante dall’a-nalisi delle sequenze. È evidente un au-mento significativo del segnale appena viene oltrepassato il limite di fatica del
Le norme presenti sulla progettazione delle pale eoliche richiedono l’utilizzo di coefficienti di sicurezza che dipendo-no dal grado di conoscenza del compor-tamento meccanico dei materiali, sia di tipo statico che a fatica. In tal senso, ne-gli ultimi anni, le tecniche termografiche sono sempre più utilizzate per lo studio del danneggiamento a fatica di provini e componenti in quanto consentono di osservare i vari fenomeni coinvolti du-rante una prova sperimentale in tempo reale e senza richiedere il contatto con il componente.In letteratura sono presenti molti lavori che propongono differenti procedure e parametri legati direttamente al segna-le termico e che possono essere asso-ciati al danneggiamento a fatica [1], [2]. In particolare, la temperatura o meglio il suo andamento caratteristico durante un test di fatica [1], consente di rilevare il limite di fatica del materiale in tempi molto rapidi soprattutto se quest’ultimi sono confrontati con quelli richiesti dal-le prove classiche di fatica (ad esempio il metodo “Stair-Case”). Tuttavia in altri lavori [3], [4] è stato dimostrato come la temperatura non sia in grado di de-scrivere in maniera diretta i fenomeni di danneggiamento, a causa della sua ele-vata sensibilità alle variazioni della tem-peratura ambiente e al set-up utilizzato per la prova. Inoltre, le procedure di ana-lisi sviluppate in primo luogo per i mate-riali metallici, non tengono conto dei fe-nomeni dissipativi dovuti, ad esempio al comportamento viscoelastico della resi-na, che si sovrappongono a quelli dovuti ai complessi meccanismi di danneggia-mento nei materiali compositi. Per superare le problematiche sopra elencate, viene proposta una nuova me-todologia di analisi basata sulla Tecnica Termoelastica di Analisi delle Sollecita-zioni (TSA) per lo studio del danneggia-mento a fatica di materiali compositi e valutazione del limite di fatica. In parti-colare i risultati derivanti dalle prove ter-mografiche sono stati confrontati con
quelli ottenuti tramite una classica cur-va S-N.
MATERIALE E SET-UP DI PROVAIl materiale oggetto di prova è costitui-to da fibre di vetro e resina epossidica (GFRP), tipicamente utilizzato per la co-struzione di pale eoliche.I provini usati per i test sono costituiti da 4 lamine aventi fibre disposte in ma-niera differente. In particolare, sono pre-senti 2 lamine interne con fibre unidire-zionali e 2 esterne costituite da 4 strati quadriassiali con fibra a 0°/90°/45°/-45°. Da un laminato più grande, sono stati ricavati in totale 12 provini rettan-golari 25x300 mm secondo normativa ASTM D 3479 di cui n. 7 provini sono stati utilizzati per ricavare la curva S-N e n. 5 provini per le prove termografi-che. Tutte le prove le prove sono state condotte utilizzando un rapporto di cari-co R=0.1 e frequenza di carico pari a 7 Hz con una macchina di carico servoi-draulica MTS. Le prove termografiche sono state con-dotte con una procedura a step di carico crescente fino alla rottura del provino [3-
Fig.1: Set-up sperimentale utilizzato e provino a fine prova
41Compositi
La soluzione ottimale per i controlli non distruttivi su materiali compositi
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materiale. Tramite una procedura svilup-pata in [3] è possibile ottenere rapida-mente il valore del limite di fatica.
CONCLUSIONIÈ stata proposta una procedura per la valutazione del danneggiamento e del limite di fatica di materiali compositi GFRP con metodi termografici. In parti-colare, tale procedura consente di valu-tare il limite di fatica in tempi molto più rapidi rispetto alle tecniche tradizionali.
BIBLIOGRAFIA/REFERENCES[1] M.P. Luong. Infrared Thermographic Scanning of Fatigue in Metals, Nucl. Eng. and Des. 1995; 158: pp. 363-376. [2] J.C. Krapez, D. Pacou, G. Gardette, Lock-in thermography and fatigue limit of metals. QUIRT Conf. 2000. July 18-21, Reims (France).[3] R. De Finis, D. Palumbo, F. Ancona, U. Galietti, Fatigue Limit Evaluation of Various Martensitic Stainless Steels with New Ro-bust Thermographic Data Analysis, I. J. of F. 2015; 74: 88-96. [4] U. Galietti, D. Palumbo, R. De Finis, F. An-cona, Fatigue Damage Evaluation with New Thermal Methods, 3th Int. Work. On Adv. Infr. Tech. And Applic. 2013; September 11-14, Tourin (Italy).[5] D. Palumbo, U. Galietti, Characterization of Steel Welded Joints by Infrared Thermo-graphic Methods, QUIRT J.. 2014; 1: 29-42.
- Analisi del danneggiamento a fatica mediante l’utilizzo di metodi termici -
Fig.2: Curve di Wöhler (a destra in scala doppio logaritmica) e relativa equazione
Fig.3: Mappa del segnale T2 per differenti step di carico e valutazione del limite di fatica con il metodo termo-grafico [3].
