Novo método para detecção de falhas em estruturas de alumínio utilizando-se impedância elétrica de cerâmicas piezoelétricas e atenuação das ondas ultrassônicas

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Costa, Rosalba da
• Orientador(a): Maia, Joaquim Miguel
• Banca de defesa: Assef, Amauri Amorin , Maia, Joaquim Miguel , Cunha, José Carlos da , Gewehr, Pedro Miguel , Pereira, Wagner Coelho de Albuquerque
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná; Curitiba
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: 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
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA
• Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5056

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.