Equipamento de ensaio de tração por impacto em alta velocidade e sistema de ensaio de tração por impacto em alta velocidade

  • Número do pedido da patente:
  • BR 10 2013 013759 6 A2
  • Data do depósito:
  • 04/06/2013
  • Data da publicação:
  • 11/08/2015
Inventores:
  • Classificação:
  • G01N 3/08
    Investiga??o das propriedades de resist?ncia de materiais s?lidos mediante a aplica??o de esfor?o mec?nico; / pela aplica??o de for?as permanentes de tra??o ou de compress?o;
    ;
    G01N 3/06
    Investiga??o das propriedades de resist?ncia de materiais s?lidos mediante a aplica??o de esfor?o mec?nico; / Detalhes; / Adapta??es especiais de meios de indica??o ou registro;
    ;

EQUIPAMENTO DE ENSAIO DE TRAÇÃO POR IMPACTO EM ALTA VELOCIDADE E SISTEMA DE ENSAIO DE TRAÇÃO POR IMPACTO EM ALTA VELOCIDADE. O equipamento de ensaio de tração por impacto em alta velocidade e o sistema de ensaio de tração por impacto em alta velocidade conjuga a função de realizar ensaios mecânicos de tração em alta velocidade e por impacto de amostras biológicas ou não biológicas e/ou modelos estruturais. Tal equipamento e sistema poderão ser utilizados, por exemplo, na analise do comportamento mecânico dos materiais a serem ensaiados (força máxima, deformação e energia absorvida até a força máxima).

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Documento

EQUIPAMENTO DE ENSAIO DE TRAÇÃO POR IMPACTO EM ALTA VELOCIDADE E SISTEMA DE ENSAIO DE TRAÇÃO POR IMPACTO EM ALTA

VELOCIDADE

CAMPO DA INVENÇÃO    :

A presente invenção se insere no campo : da Engenharia

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Mecânica, uma vez que se refere a um Equipamento de Ensaio de Tração por Impacto em Alta Velocidade e a um Sistema de Ensaio de Tração por Impacto em Alta Velocidade, que conjuga a função de realizar ensaios mecânicos de tração em alta velocidade e por impacto de amostras biológicas ou não biológicas e/ou modelos estruturais. Tal máquina poderá ser utilizada, por exemplo, na análise do comportamento mecânico dos materiais a serem ensaiados (Força Máxima> deformação e Energia absorvida até a força máxima).

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO    !

O estudo do comportamento dos materiais é um dos objetivos mais importantes das diferentes áreas da ciência. Para isso, é preconizada a realização de ensaios mecânicos em baixa velocidade (conhecidos como ensaios estáticos), em que é possivel observar as principais caracteristicas dos materiais (propriedades mecânicas). Apesar da grande difusão destes ensaios e sua grande aplicabilidade, algumas caracteristicas dos materiais como as de alta velocidade não podem ser obtidas utilizando máquinas de| ensaios que realizam ensaios em baixas velocidades.

Com o    intuito    de resolver    este problema foram

desenvolvidos alguns métodos de ensaio dinâmicos. Um destes ensaios, o de fadiga, preconiza a aplicação ciclica de força, até a fadiga do material. Outro ehsaio dinâmico conhecido é o ensaio de impacto, em que uma amostra é fixada em uma base e recebe repentinamente a ação de uma força proveniente da movimentação de um pêndulo. ■

Ambos os testes dinâmicos apresentados são de grande importância uma vez que o primeiro permite observar a ação das condições de uso do material, e assim, a dprabilidade do mesmo ao apresentar a tensão de fadiga e limite de fadiga dos materiais. O segundo teste é preconizado para materiais rigidos, com possiveis ocorrências de ruptura quando submetidos à alta energia repentinamente. No entanto, não se encontrou ensaios descritos que permitam a avaliação de um material viscoelástico ou não ao se aplicar uma força de tração de forma repentina.

Geralmente, ensaios de tração são realizados em baixa velocidade, em máquinas universais de ensaio, e permitem avaliar, entre outras propriedades, a força máxima, a

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rigidez relativa, a tenacidade e o módulo de' elasticidade. No entanto, estas características não permitem conhecer o comportamento destes materiais quando se aplica uma alta energia repentinamente.

Na prática clinica, normalmente, as ocorrências de rupturas no sistema musculoesquelético são i observadas em eventos com alta velocidade como em: acidentes automobilísticos, corridas, impactos no esporte e outros. Portanto, é importante estudar a resposta dos tecidos biológicos à aplicação de forças com alta velocidade, simulando as ocorrências da prática clinica.

A máquina de ensaio de tração por impacto em alta velocidade proposta nesta invenção tem por objetivo propiciar o entendimento da resposta mecânica dos materiais a aplicações repentinas de força de tração.

Os resultados obtidos dos ensaios realizados em músculos gastrocnêmicos de ratos mostraram a capacidade de realização dos ensaios mecânicos utilizando alta velocidade por esta máquina e foi possivel determinar a fjorça máxima, o deslocamento e a energia absorvida até a força máxima.

O documento CN200963136 ("GENERAL BIOLOGICAL JOINT SIX FREE DEGREE DYNAMIC STRESS LOADING SYSTEM") descreve um equipamento para avaliação dinâmica, através de cargas ciclicas. Este equipamento possui 6 graus de liberdade para avaliação da articulação do joelho em suas diferentes posições. Este difere da presente invenção uma vez que o equipamento de ensaio de tração por impacto permite movimentação em apenas uma direção, a partir da aplicação de força de grande intensidade repentinamente, ; em uma única direção. E não há aplicação ciclica de força.

O documento PI0800480-3 ("MÁQUINA PARA ENSAIOS DE FADIGA SOB CONTROLE DAS CARGAS") descreve üm equipamento para avaliação dinâmica, através de cargas ciclicas. Este equipamento aplica força de compressão de maneira ciclica com intensidade, velocidade e frequência conhecidas. Este difere do equipamento de ensaio de tração por impacto que permite a aplicação de força de tração de maneira repentina e não de força de compressão ciclica.

O documento US4056973 ("Testing viscoelástic solids") descreve um dispositivo de avaliação viscoelástica. Este equipamento aplica força de maneira ciclica to material a ser estudado. Para isso ele utiliza um excêntrico que movimenta uma barra em que é fixada uma das extremidades do

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material. Nesta barra pode ser fixada uma ou :mais amostras. Este equipamento difere do equipamento de ensaio de tração por impacto, uma vez que avalia as propriedades viscoelásticas a partir da aplicação de cargas ciclicas, e no equipamento de tração por impacto é aplicada a força em um único momento de forma repentina.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

O equipamento de ensaio de tração por impacto em alta velocidade é compreendido por uma base com uma coluna de sustentação que possui uma base suspensa acoplada na parte superior da coluna. Paralela a esta coluna, há uma haste guia, de mesmo comprimento da coluna e fixa às bases. Entre as bases há uma base de impacto, com dois furos, que é encaixada na coluna e na haste guia através destes. Dentro do furo que é acoplado à coluna existe um rolamento linear para a movimentação com atrito reduzido da ;barra sobre a coluna.

Na base superior há um furo pelo qual é posicionado um fuso, com uma célula de carga na extremidade inferior. Este é estabilizado na base superior com o auxilio de duas porcas, que envolvem a base. Na outra extremidade da célula de carga é acoplada uma garra para fixação do ímaterial a ser ensaiado.

Na base de impacto, é acoplada umà garra para posicionamento da outra extremidade do material a ser estudado, sendo esta alinhada à garra fixada à célula de carga. A haste guia é utilizada para garantir o alinhamento do peso em queda livre, até que este atinja a base de impacto, e transfira a energia de impacto. Para obtenção do deslocamento durante o ensaio, é fixado à extremidade da barra móvel, próximo a coluna, um sensor de deslocamento, que medirá o deslocamento desde o momento do impacto até o término do ensaio.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS    :

A figura 1 é uma representação gráfica da vista em perspectiva do equipamento de ensaio da presente invenção.

A figura 2 é uma representação gráfica da vista explodida do equipamento de ensaio da presente invenção.

A figura 3 é uma representação gráfica dá vista frontal do equipamento de ensaio da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A proposta para geração da energia potencial a ser utilizada no impacto é utilizar um elemento de impacto

(2.13), como, por exemplo, um peso, com massaí conhecida, em queda livre, guiado por uma haste (2.3). Este deslocará uma distância conhecida até atingir a garra inferior (2.12) na qual estará fixado o material estudado, de maneira a transferir a energia cinética obtida na queda diretamente ao material. Este material na forma de corpo de prova ou de modelo estrutural, nesta máquina, fica fixo entre duas garras alinhadas verticalmente. Junto à garra:superior (2.9) é acoplada uma célula-de-carga (2.8), para obtenção da força máxima durante o ensaio e junto à garra inferior (2.12) é acoplado um sensor de deslocamento (2.5) para obtenção do deslocamento durante o ensaio.

Equipamento de Ensaio de Tração por Impacto em Alta Velocidade

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O equipamento compreende:    base inferior (2.1); coluna

de sustentação (2.2); haste guia (2.3); conexão do sensor de deslocamento (2.4); sensor de deslocamento (2.5); base de impacto (2.6); base superior (2.7); célula de carga (2.8); garra superior (2.9); fuso da célula de carga (2.10);

rolamento linear (2.11); garra inferior (2.12); elemento de impacto (2.13); porcas (2.14); fim de curso (2.15); mecanismo de acionamento da máquina (2.16).

Todas as peças estruturais do dispositivo da presente invenção são confeccionadas por material rigido e resistente. Exemplos de materiais adequados incluem, sem, contudo limitar, ligas metálicas, aço, titânio, aluminio ou combinações dos mesmos.

A base inferior (2.1), preferencialmente uma chapa metálica, com dimensões que podem ser alterada conforme as dimensões da máquina. A base inferior (2.1) é a estrutura responsável pela fixação da coluna de sustentâção (2.2), da haste guia (2.3), e do sensor de deslocamento (2.5). Após a ruptura do corpo de prova ou do modelo estrutural a base de impacto (2.6), atinge a base inferior (2.1). Esta é uma estrutura rigida que fornece suporte ao equipamento de ensaio de alta velocidade.

A base superior (2.7) é uma estrutura capaz de fixar a coluna (2.2) e a haste guia (2.3) da máquiná de ensaio de alta velocidade, além da sustentação da célula de carga (2.8) e da garra superior (2.9). A conexão da coluna de sustentação (2.2) e do fuso da célula de carga (2.10) é realizada em furos existentes na base superior (2.7), já a haste guia (2.3) é acoplada a um encaixe da base superior (2.7) . No furo da base superior em que é inserida a coluna de sustentação há uma furação perpendicular a esse. Nesta furação é inserido um parafuso de regulação utilizado para a estabilização da coluna de sustentação (2.2).

A garra superior (2.9) é composta por üm parafuso de diâmetro correspondente ao da célula de carga, e permite a

conexão da garra à célula de carga. Possui também uma contra porca, para estabilizar a conexão garra/célulia de carga, e duas chapas rigidas interligadas por dois parafusos, com acabamentos e contornos adequados para a fixação rigida da amostra. Esta garra poderá ser modificada conforme o tipo de material a ser ensaiado.    :

A coluna de sustentação (2.2) tem a função de guiar a base de impacto (2.6) pelo deslizamento do rolamento linear

(2.11) . Na parte superior, a coluna de sustentação (2.2) é fixa à base superior (2.7) . A coluna de sustentação (2.2) é

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fixa perpendicularmente a base inferior (2.1).

O rolamento linear (2.11) é empregado uma vez que este possui grande capacidade de compensação de erros em bases lineares, melhora a capacidade de carga verticjal e a rigidez e diminui o atrito em estruturas fixas. Neste equipamento o rolamento linear (2.11) foi fixado à base de impacto (2.6) e recebeu um acabamento externo. Sua função para o equipamento de ensaio foi a de diminuir o atrito entre a bjase de impacto

(2.6) e a coluna de sustentação (2.2).

A base de impacto (2.6) do equipamento de ensaio de alta velocidade tem a função de:    fixar a garra inferior

(2.12)    de fixação do material a ser ensaiajdo; receber a energia de impacto após soltura do elemento de impacto

(2.13)    (preferencialmente um peso); servir como guia linear ao mecanismo da máquina de ensaio em alta velocidade. A base de impacto é também responsável pela movimentáção do sensor de deslocamento uma vez que esta é conectada ao sensor por uma conexão (2.4). Assim, ao se iniciar a movimentação da base de impacto, após esta ser atingida pelo elemento de impacto (2.13).

A garra inferior (2.12) é composta por duas chapas rigidas interligadas por dois parafusos, com acabamentos e contornos adequados para a fixação rigida da amostra. Esta garra poderá ser modificada conforme o tipo de material a ser ensaiado.

A haste guia (2.3) tem a função de fixar os pesos

(2.13), e servir como guia para a base de impacto (2.6). Esta haste guia (2.3) está fixada na base superior (2.7) e na base inferior (2.1). ;

O elemento de impacto (2.13) é parte fundamental do mecanismo de funcionamento do equipamento de ensaio de alta velocidade. Conforme a figura 3, o peso, que é' o elemento de impacto (2.13), é liberado em queda livre a uma distância conhecida da base de impacto (2.6). Este movimento em queda livre permite ao elemento de impacto (2.13) (peso) adquirir energia cinética que é transferida ao sistema base de impacto (2.6) - corpo de prova - célula de carga, de maneira a tracionar a amostra repentinamente.

O elemento de impacto (2.13) pode ser umj peso em queda livre, conforme demonstrado na figura 2, ou pode ser substituído por outro sistema com acionamento: hidráulico, pneumático, eletromagnético ou qualquer meio que permita realizar o carregamento de forma instantânea.

Observa-se que o sistema de impacto, ainda que fosse substituído por qualquer outro tipo de acionamento, e tenha o seu eixo de posicionamento dos corpos de prova alterado horizontal ou qualquer ângulo de inclinação, ainda assim caracterizaria o escopo deste equipamento.

O fuso (2.10) tem a função de fixar e régular a altura da célula de carga (2.8) e da garra superior (2.9) de fixação das amostras. O ajuste da máquina com relação ao comprimento da amostra pode ser feito com a movimentação do fuso (2.10), para isso existem duas porcas (2.14) situadas, uma acima e outra abaixo na base superior (2.7). Estas porcas (2.14) permitem a aproximação ou distanciamento da garra superior (2.9) em relação à base de impacto (2.6), além de estabilizar o fuso (2.10). Para determinação do ponto inicial de ensaio, um fim de curso (2.15) é acoplado à haste guia (2.3), determinando o ponto inicial de ensaio.

O mecanismo de acionamento da máquina (2.16) será composto por uma alavanca fixa à coluna de sustentação (2.2), que dará suporte ao elemento de impacto (2.13). Ao se acionar a alavanca o elemento de impacto (2.13), no caso exemplificado um peso, deixará de ter sustentação iniciará o movimento de queda livre até atingir a base de impacto (2.6). Sistema de Ensaio de Tração por Impacto em Alta Velocidade

O sistema de ensaio de tração por impacto em alta velocidade compreende o equipamento de ensaio de tração por impacto em alta velocidade, um sistema de aquisição de sinais, uma placa de aquisição de dados, um sistema de acesso e transmissão de dados, como um computador, tablet ou telefone celular, com software de análise de força mecânica.

Durante a queda do elemento de impacto (2.13) (peso), um sistema de aquisição de sinais, será acionado.

No momento em que o elemento de impacto (2.13) atinge a base de impacto (2.6), esta começa a se movimentar. A movimentação da base de impacto (2.6)    proporciona o

tracionamento da amostra, que é medido pela força mensurada pela célula de carga (2.8) acoplada ao sistema. O deslocamento resultante da ação do elemento de impacto sobre a base de impacto (2.6) é mensurado por um sensor de deslocamento, acoplado por uma conexão (2.4) à base de impacto.

Este sistema interligado por meio cíe fiação ou dispositivos sem fio enviará os sinais elétricos da célula de carga (2.8) e do sensor de deslocamento (2.5), a uma placa de aquisição de dados conectada a um sistema de acesso e transmissão de dados, como um computador, tablet ou telefone celular. Este sistema de acesso e transmissão de dados utilizará um programa que possui meios para aquisição/análise do sinal elétrico gerado. Após a aquisição dos dados o programa trata este sinal e o converte em força e deslocamento, após a calibração da célula de carga (2.8) e do sensor de deslocamento (2.5) respectivamente. A intensidade da força é calibrada e preferencialmente obtida em Newtons (N) e o deslocamento em milímetros (mm).