Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5056
Título: Novo método para detecção de falhas em estruturas de alumínio utilizando-se impedância elétrica de cerâmicas piezoelétricas e atenuação das ondas ultrassônicas
Título(s) alternativo(s): New method for fault detection in aluminum structures using electrical impedance of piezoelectric ceramics and attenuation of ultrasonic waves
Autor(es): Costa, Rosalba da
Orientador(es): Maia, Joaquim Miguel
Palavras-chave: Falhas estruturais
Alumínio - Estruturas
Impedância (Eletricidade)
Ondas ultrassônicas
Engenharia de estruturas - Monitorização
Testes não-destrutivos
Ultrassom
Structural failures
Aluminum, Structural
Impedance (Electricity)
Ultrasonic waves
Structural engineering - Monitoring
Non-destructive testing
Ultrasonics
Data do documento: 29-Mai-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: COSTA, Rosalba da. Novo método para detecção de falhas em estruturas de alumínio utilizando-se impedância elétrica de cerâmicas piezoelétricas e atenuação das ondas ultrassônicas. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
Resumo: A liga de alumínio é essencialmente utilizada na fabricação de estruturas aéreas, automotivas, próteses, órteses, entre outras. O monitoramento e detecção de danos nessas estruturas é importante para a garantia da qualidade dos dispositivos. Assim, vários sistemas baseados em cerâmicas piezoelétricas têm sido utilizados para monitorar falhas nessas estruturas, no entanto, eles operam com sinais de alta frequência. Este trabalho teve por objetivo propor uma nova metodologia para ensaios não destrutivos e caracterização de materiais utilizando a atenuação das ondas ultrassônicas e a impedância elétrica de cerâmicas piezoelétricas acopladas a barras e placas de alumínio. Foram utilizadas 18 amostras (barras de alumínio de dimensões 250 mm × 50 mm × 50 mm), sendo que em quatorze foram feitos três furos separados de 50 mm com diferentes diâmetros simulando falhas e quatro delas foram mantidas intactas e utilizadas como referência. Também foram realizados testes em cinco amostras de placas de alumínio com dimensões de 500 mm × 500 mm × 4 mm, sendo uma de referência e outras quatro com três furos separados de 125 mm simulando falhas. Um transdutor com frequência central de 1,6 MHz e três cerâmicas piezoelétricas (APC 855 quadradas de dimensões 12,7 mm × 12,7 mm × 0,52 mm e circulares de 12,7 mm × 0,267 mm e 12,7 mm × 1 mm) foram acopladas em cada barra, próximas às falhas e na mesma posição para a referência. Nas placas de alumínio foram utilizadas três cerâmicas circulares de 19,05 mm de diâmetro e 3 mm de espessura. A impedância elétrica foi medida com o analisador Agilent 4294A e a comparação dos sinais entre as amostras de referência e as que apresentavam falhas foi feita utilizando-se o índice RMSD (Root Mean Square Deviation). Para quantificar a atenuação das ondas ultrassônicas foi utilizado um gerador de função Tektronix AFG3021 para excitação das cerâmicas piezoelétricas acopladas às barras de alumínio com um pulso único senoidal de 20 Vpp nos modos transmissão-recepção e pulso-eco, nas frequências de 90 kHz, 145 kHz, 230 kHz e 376 kHz. As cerâmicas piezoelétricas acopladas às placas de alumínio foram excitadas com o mesmo tipo de pulso e frequência de 104 kHz. A avaliação da atenuação em banda larga (BUA) foi feita utilizando-se dois pares de transdutores de frequência central de 500 kHz e 5 MHz, excitados com pulsos negativos de -100 V e duração de 1 μs e 100 ns para 500 kHz e 5 MHz, respectivamente, utilizando-se um pulser/receiver Olympus 5077PR. Os sinais foram adquiridos em um osciloscópio digital Tektronix TDS2022 e transferidos a um computador para serem processados no MATLAB®. Também foram realizadas simulações no ANSYS utilizando o método de elementos finitos. A análise dos resultados mostrou que houve um aumento do índice RMSD com o aumento do diâmetro das falhas de maiores dimensões (5 mm, 8 mm e 11 mm) e que o mesmo não ocorreu para amostras com falhas de menores dimensões (1 mm, 2,5 mm e 3 mm). No entanto, em todos os casos foi possível detectar as falhas com a técnica de impedância. Verificou-se também que houve alteração da atenuação das ondas ultrassônicas que se propagaram nas amostras com falhas em relação às que se propagaram nas amostras de referência. Assim, foi possível concluir que a técnica proposta pode ser utilizada para detectar falhas de pequenas dimensões em estruturas metálicas de alumínio, permitindo a caracterização desses materiais utilizando-se baixas frequências.
Abstract: The aluminum alloy is mainly used in the manufacture of aerial, automotive, prosthetic and orthotic structures, among others. Monitoring and damage detection of these structures is important to ensure the quality of the devices. Thus, many systems based on piezoelectric ceramics have been used to monitor flaws in these structures, however, they operate with high frequency signals. This study proposes a new methodology for nondestructive testing and characterization of these materials using attenuation of ultrasonic waves and electrical impedance of piezoelectric ceramics attached to aluminum alloy bars and plates. Eighteen solid aluminum bars measuring 250 mm × 50 mm × 50 mm were used; in fourteen, three holes of varying diameters and depths were drilled to simulate defects, while four bars were left intact as a reference. Tests were also carried out on five samples of aluminum plates with dimensions of 500 mm × 500 mm × 4 mm, one being a reference and the other four with three holes separated by 125 mm. A 1.6 MHz center frequency transducer, three piezoelectric ceramic plates measuring 12.7 mm × 12.7 mm × 0.52 mm, three ceramic discs of 12.7 mm × 0.267 mm and of 12.7 mm × 1.0 mm were attached to each bar near the manufactured defects and at the same position in the reference sample. To evaluate the aluminum plates, three circular piezoelectric ceramics of 19.05 mm in diameter and 3 mm in thickness were attached to each plate. The electrical impedance was measured with the Agilent 4294A analyzer and the comparison of the signals between the reference samples and those with faults has been done using the RMSD (Root Mean Square Deviation) index. The attenuation of the ultrasonic waves was measured using a Tektronix AFG3021 function generator to excite the ceramic plates attached to the aluminum bars with a single 20 Vpp sine pulse in transmit/receive and pulseecho modes at 90 kHz, 145 kHz, 230 kHz, and 376 kHz. The piezoelectric ceramics attached to the aluminum plates were excited with the same type of pulse at 104 kHz. Broadband attenuation was assessed using two pairs of transducers with center frequency of 500 kHz and 5 MHz, excited with negative pulses of -100 V and duration of 1 μs and 100 ns for 500 kHz and 5 MHz, respectively, using an Olympus 5077PR pulser/receiver. The signals were acquired using a Tektronix TDS2022 digital oscilloscope and then transferred to a computer to be processed in MATLAB®. Finite element simulations were also carried out in ANSYS software. The analysis of the results showed that there was an increase in the RMSD index with the increase in the diameter of the largest flaws (5 mm, 8 mm and 11 mm) and that the same did not occur for samples with smaller flaws (1 mm, 2,5 mm and 3 mm). However, in all cases it was possible to detect the failures with the impedance technique. It was also found that there was a change in the attenuation of the ultrasonic waves that propagated in the damaged samples in relation to those that propagated in the reference ones. Thus, it was possible to conclude that the proposed technique can be used to detect small flaws in aluminum metallic structures, allowing the characterization of these materials using low frequencies.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5056
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
deteccaofalhasceramicaspiezoeletricas.pdf7,2 MBAdobe PDFThumbnail
Visualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.