INTRODUCCION: El laboratorio de análisis experimental de esfuerzos se especializa en la validación estructural y el análisis de falla para los diseños, componentes y productos de las industrias aeroespacial, automotriz, metal-mecánica y de la construcción. Contando para ello con herramientas de última generación que nos permiten analizar y calcular deformaciones y esfuerzos por medio de tres técnicas principales, siendo estas: el análisis de deformaciones y esfuerzos mediante extensómetria eléctrica, correlación de imágenes y el cálculo de esfuerzos en elementos estructurales mediante herramientas computacionales (fotoelasticidad). Para ello el laboratorio cuenta con herramientas como: sistema de adquisición de datos System 7000, Sistema 7000, Sistema de correlación de imágenes Aramis, y Aramis, y software para análisis dinámicos Pontos.
El análisis de deformaciones y esfuerzos mediante extensómetria eléctrica es una técnica experimental para la medición de esfuerzos y deformaciones basándose en el cambio de la conductividad eléctrica de una galga que se adhiere directamente a las piezas y componentes que se desean probar. Por otro lado el análisis por medio de correlación de imágenes es un método para medir comportamiento en materiales y estructuras complejas, obteniendo: deformaciones, desplazamientos, velocidades y aceleraciones con alta resolución sin importar la forma geométrica de la pieza y sin la necesidad de entrar en contacto con ella, permitiendo analizar el comportamiento en pruebas de choque, análisis de vibraciones o estudios de durabilidad, entre otros. Por último y con ayuda de diversas herramientas de cómputo de alto desempeño, es posible desarrollar simulaciones del comportamiento estructural de aeronaves, automóviles, vehículos acuáticos, edificaciones civiles, etc.
METODOS EXPERIMETALES: Los métodos experimentales son los únicos que permiten establecer relaciones de tipo causa-efecto. El experimentador realiza un experimento para poner a prueba hipótesis sobre las relaciones existentes entre dos tipos de variables: la variable dependiente y la variable independiente. La variable que manipula el experimentador se denomina variable independiente. La variable que se refiere a la conducta que nos interesa medir es la variable dependiente. Además, el experimentador debe controlar todas las posibles variables extrañas que puedan contaminar l os resultados del experimento. Si no se controlan adecuadamente las variables extrañas, no será posible atribuir variaciones que se observan en la variable dependiente a las manipulaciones experimentales de la variable independiente. En nuestro caso es importante tomar en cuenta que los métodos experimentales van enfocados al análisis de las propiedades mecánicas de los diferentes tipos de materiales usados para el diseño, en nuestro caso en el ámbito aeronáutico, automotriz y aeroespacial. Por ello los métodos que vamos a conocer y analizar serán la correlación de imágenes, fotoelasticidad y extensómetria.
CORRELACION DIGITAL DE IMÁGENES (DIC): La Correlación Digital de Imágenes (DIC) es un método no invasivo que mediante análisis de imágenes digitales del objeto sometido a ensayo permite obtener el campo completo de desplazamientos. Dependiendo si el desplazamiento se produce en el plano o fuera de él, la técnica de correlación de imágenes debe utilizarse en dos o tres dimensiones. Fundamentos de la técnica: En el desarrollo de la técnica de correlación de imágenes principalmente hay 3 pasos:
Paso 1. Preparación de las probetas. Para poder analizar mediante DIC las imágenes de un ensayo, estas deben de tener una distribución aleatoria de intensidad en escala de grises, para ello se aplica de forma aleatoria puntos negros sobre un fondo blanco en la probeta sobre la que se realiza el ensayo. El tamaño que tengan los puntos negros sobre la superficie puede influir en la precisión de los resultados obtenidos, teniendo que buscar cual es la relación óptima dependiendo del ensayo a realizar.
Existen dos formas principales para obtener una distribución aleatoria de intensidad en escala de grises, la primera es por medio de stikers (Fig. 1) que se posicionan sobre la superficie a analizar, el tamaño de estos depende, como ya se mencionó, de la precisión que se requiera. La segunda y más utilizada es la de la aplicación de pintura blanca a la pieza a analizar, posteriormente se llena la superficie con salpicaduras de pintura de color negro (Fig. 2) la técnica de aplicación difiere una de otra, algunas utilizadas principalmente son las mostradas en las Fig. 3.
FIGURA 2
FIGURA 1
FIGURA 3
Paso 2. Preprocesado. Una vez recogidas las imágenes durante la aplicación de la carga, se tiene una secuencia de imágenes desde el estado inicial o de referencia hasta el final o deformado, la técnica de correlación de imágenes calcula el movimiento en cada uno de los puntos de las imágenes comparando la imagen en estudio con la imagen de referencia. Para el cálculo del movimiento, la imagen es dividida de forma uniforme en distintos conjuntos, generalmente cuadrados, llamados facetas. Cada faceta será procesada para calcular el valor medio de la escala de grises existente en cada una de ellas y se buscará la misma faceta en la imagen deformada. Para el proceso de búsqueda en la imagen deformada se establece un área de análisis sobre la que se hará la correlación, esta área de búsqueda se especifica con el número de pixeles en el que se superponen los centros de las facetas. Para un punto P cualquiera de la imagen, una faceta cuadrada de dimensiones (2M+1) x (2M+1) de pixeles centrada en el punto P=(0,0, ) de la imagen de referencia es elegida y buscada en la imagen deformada. Para evaluar cada una de las facetas de la imagen de referencia y la de la imagen deformada, un criterio de correlación debe ser preestablecido para realizar el cálculo.
Paso 3. Procesado de Imágenes. Para el procesado de las imágenes y una optimización del proceso de cálculo del vector desplazamientos, diversos criterios de correlación son empleados en la actualidad. A continuación se pueden ver los más comunes, donde la función f ( x i, y j) y g’( x’ i, y’ j) corresponde al cálculo del valor en la escala de grises que tiene la faceta de estudio en la imagen
de referencia y en la imagen deformada, evaluándolo para cada pixel en la fila píxel en la fila i y columna j en la en la faceta cuadrada de lado M.
Correlación Cruzada(CC) Correlación Cruzada Normalizada (NCC) Zero Correlación Cruzada Normalizada (ZNCC)
La correlación se realizara para cada faceta en la que se haya dividido el área de interés. En la actualidad, son muchos los ensayos experimentales que se realizan, en los cuales es muy difícil la aplicación de técnicas tradicionales como son la extensómetria para la medición de desplazamientos y deformaciones durante un estado determinado de carga. Ensayos donde requieren temperaturas muy altas, ensayos en materiales compuestos donde las laminaciones hacen que se pierdan gran información con la utilización de galgas, ensayos a nivel microscópico o ensayos a altas velocidades son ejemplos donde la aplicación de la técnica de correlación de imágenes adquiere gran potencial en el área de la Mecánica Experimental debido a la particularidad de ser una técnica de no contacto para la medición de campo completo de desplazamientos y deformaciones
EQUIPO: El equipo con el que cuenta el laboratorio pertenece a la marca alemana GOM, el cual consta básicamente de dos cámaras de hasta 29 tomas por segundo, con una resolución máxima de 5 mega pixeles con lentes de 12 y 35 mm, las cuales se encuentran apoyadas sobre bases que permiten movilidad y orientación en los 3 ejes. Además consta de un ordenador portátil de 12 procesadores y 24 GB en memoria RAM, lo cual la hace suficiente en cuestión de poder de cálculo. El programa empleado para la obtención de datos es llamado ARAMIS, el cual es empleado principalmente para el análisis estructural de materiales y componentes sin necesidad de contacto físico con los elementos, de igual manera permite obtener las coordenadas de la superficie del objeto en 3 dimensiones.
FOTOELASTICIDAD: La fotoelasticidad es una técnica óptica experimental que se emplea para el análisis de tensiones en elementos mecánicos. Esta técnica se basa en los fenómenos experimentados por las ondas electromagnéticas a su paso por materiales transparentes, en particular la polarización de la luz que ocurre a consecuencia de las tensiones presentes en los cuerpos sometidos a esfuerzos. Este método experimental es útil para el estudio de objetos de forma irregular y tensiones localizadas, como piezas de maquinaria con muescas o curvas, componentes estructurales con ranuras o agujeros y materiales con hendiduras. Proporciona un nivel visual para observar las características de las tensiones de los objetos por medio de diagramas de luz proyectados sobre una pantalla o sobre una película fotográfica. Por simple observación se determina las regiones en que se concentran los esfuerzos. Sin embargo, se necesita una técnica más complicada para un análisis cuantitativo para la tensión, compresión, fuerzas de cizalladura y deformaciones en cualquier punto del objeto con tensiones en tres direcciones espaciales (triaxial). Con la fotoelasticidad se pueden realizar los siguientes procesos: Identificación instantánea de áreas críticas (regiones de sobreesfuerzo). Medidas de picos de tensiones y distribución de tensiones alrededor de agujeros, muescas y sitios potenciales a posibles fallos. Identificar y medir tensiones residuales. Detectar el rendimiento y observar la redistribución de tensiones en el material que está siendo formado.
Luz polarizada: Como se sabe la luz es una onda electromagnética (perturbación eléctrica y magnética que se propaga en el espacio y en el tiempo) de naturaleza transversal; es decir, el vector campo eléctrico E= A·cos (k·x-ω·t), es ortogonal a la dirección de propagación. En esta expresión, A es la amplitud, ω es su pulsación y k el número de ondas (2·π/λ). Cuando el vector E siempre se encuentra en el mismo plano se habla de Luz polarizada linealmente. Si el extremo del vector E va describiendo, a medida que avanza el tiempo y la luz se propaga, una circunferencia se tiene la Luz polarizada circularmente. De manera análoga se puede describir la luz polarizada elípticamente cuando el extremo del vector E describe una elipse Luz monocromática: Luz de una sola longitud de onda (un solo color) Polarizador y analizador: Láminas delgadas que convierten la luz sin polarizar en luz polarizada linealmente según una dirección que se denomina eje del polarizador o analizador, respectivamente.
Lámina cuarto de onda: Es una lámina de un material apropiado, y dimensionada de tal forma que, al incidir sobre ella un rayo de luz emergen de ella dos rayos (el rayo ordinario y el rayo extraordinario) paralelos al rayo incidente y superpuestos, polarizados según dos direcciones ortogonales entre sí de manera que uno (polarizado según el denominado eje lento de la lámina cuarto de onda) lleva un desfase respecto al otro (que está polarizado según el eje rápido de la lámina) d e λ /4, lo que equivale a un desfase angular de π/2. Es decir, si el rayo correspondiente al eje rápido fuera E = A·cos t, el rayo correspondiente al eje lento sería: E' = A' ·cos ( t -π /2).
MATERIAL BIRREFRIGENTE: Los materiales cristalinos pueden tener diferentes índices de refracción asociados con diferentes direcciones cristalográficas. Una situación común en los cristales minerales es, que tienen dos índices de refracción distintos y por ello se llaman materiales birrefringentes (doble refracción). Si las direcciones y y z son equivalentes en términos de las fuerzas cristalinas, entonces el eje x es único y se llama eje óptico del material. La propagación de la luz a lo largo del eje óptico seria independientemente de su polarización; su campo eléctrico en cualquier lugar es perpendicular al eje óptico y se llama onda ordinaria. La onda de luz con un campo eléctrico paralelo al eje óptico se llama onda extraordinaria; ejemplos de materiales birrefringentes son la calcita, turmalina, cuarzo, nitrato de sodio, hielo, Rutilio, policarbonato, etc.
POLARISCOPIO: El polariscopio es el equipo empleado en fotoelasticidad. Se trata de una disposición determinada de unos elementos ópticos, los cuales se van a describir a continuación. Un material birrefringente se inserta en el polariscopio, de tal forma que los patrones de franjas, relacionada con la diferencia de tensiones principales y las direcciones de las tensiones principales en el modelo, son capturados mediante una cámara digital y procesados y visualizados a través de un ordenador.
Polariscopio plano: Una de las disposiciones ópticas mas simples es el polariscopio plan. Esta compuesto por una fuente de luz, un polarizador, el modelo y analizador. El polariscopio plano es iluminado con luz monocromática. Cuando esta atraviesa el modelo, el estado de polarización cambia de punto a punto dependiendo de las direcciones de las tensiones principales y la diferencia entre las mismas. El polarizador se dispone a 90° respecto a una dirección de referencia (normalmente horizontal). La información sobre el campo de tensiones puede ser obtenida si el estado de polarización de la luz transmitida es estudiado. Esto se obtiene introduciendo un polarizador a 0°. Ya que este elemento ayuda al análisis de la luz emergente, se conoce como analizador. Con la introducción de este elemento, las franjas observadas corresponden a los puntos en lo que la intensidad de la luz transmitida es cero. Es de notar que, en esta disposición, polarizador y analizador están cruzados y el fondo de la imagen es oscuro.
Polariscopio circular: Está compuesto por una fuente de luz, un polarizador, una lámina cuarto de onda, el modelo, una segunda lamina cuarto de onda y un analizador. En este tipo de polariscopio, la luz polarizada circular se usa para revelar el campo de tensiones en el modelo. Esto se logra introduciendo una lámina cuarto de onda entre polarizador y modelo, con su eje lento a 45° con respecto del eje de polarización del polarizador. La luz emergente es analizada usando la combinación de una segunda lámina cuarto de inda y un analizador. El eje lento de esta lámina cuarto de onda se dispone a 45° respecto del eje de polarización del analizador. Por tanto, en esta disposición, en la que el polarizador y analizador se encuentran cruzados al igual que las dos láminas cuarto de onda, el fondo de la imagen aparece oscuro y, por tanto, esta disposición se conoce como disposición de campo oscuro.
Donde hay una concentración de esfuerzos, las franjas se presentarán formando un conjunto muy cerrado de curva, ya que el gradiente de deformación es muy grande. Por otro lado, cuando un sólo color cubre una zona grande, indica que hay deformación uniforme en toda ella. Si existe una franja con valor igual a cero, el color será negro. En los bordes de un modelo el esfuerzo siempre será cero.
EXTENSOMETRIA ELECTRICA: La extensómetria eléctrica sirve para determinar de una forma simple y fiable la distribución de deformaciones en la superficie de un sólido sometido a unas condiciones de cargas y/o desplazamientos, lo que no es, en principio, un inconveniente, ya que las máximas tensiones se suelen encontrar en la superficie del cuerpo. Esta técnica se basa en fijar unas resistencias, denominadas galgas, en la superficie del cuerpo a estudiar. Las deformaciones en la superficie del cuerpo se transmiten a las galgas a través del adhesivo y estas cambian su resistencia al variar su longitud. La medida del cambio de resistencia nos informa del nivel de deformación en la superficie del cuerpo. Las galgas extensométricas de resistencia eléctrica están constituidas por un hilo metálico muy fino formando una rejilla continua, el engrosamiento de los extremos del hilo permite soldar las terminales de los cables de conexión a los instrumentos de medida.
Características de las galgas extensometricas: Longitud: medición de la deformación cuando este es no lineal presenta cierto grado de error, dicho error depende de la longitud L y del ancho de la galga. Sensibilidad: La sensibilidad es el vector de la deformación más pequeña que puede leerse en la escala asociada con la galga extensometrica. Rango: Es el valor máximo de deformación que puede medirse sin reemplazar el extensómetro. Precisión: Debe tomarse en cuenta que la sensibilidad no asegura precisión. Comúnmente los instrumentos muy sensibles están propensos a errores a menos que se empleen con sumo cuidado
BIBLIOGRAFIA: http://www.gom.com http://ocw.unican.es/ciencias-de-la-salud/ciencias-psicosocialesi/materiales/bloque-i/tema-1/1.1.3.2.2-metodos-experimentales http://www.esimetic.ipn.mx/Servicios/Paginas/LAnalisis.aspx http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/12416/EFECTOS%20A ERODINAMICOS.pdf?sequence=1 http://www.advanc3dtechnologies.com/equipo-de-analisis-dedeformacion-gom-aramis/ http://tauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/2714/1/TFG-Catalán-RequenaJavier.pdf
