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metadata.dc.type: Dissertação
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Monitoramento de integridade estrutural de materiais compostos sujeitos a impactos empregando a técnica da impedância eletromecânica
Other Titles: Structural health monitoring of composite materials subjected to impacts using the electromechanical impedance technique
metadata.dc.creator: Tsuruta, Karina Mayumi
metadata.dc.contributor.advisor1: Rade, Domingos Alves
metadata.dc.contributor.referee1: Steffen Júnior, Valder
metadata.dc.contributor.referee2: Rade, Raquel Santini Leandro
metadata.dc.contributor.referee3: Belo, Eduardo Morgado
metadata.dc.description.resumo: Atualmente, os materiais compostos vêm substituindo os materiais tradicionais, principalmente em aplicações que exigem melhor desempenho, segurança, economia e durabilidade. No entanto, estes materiais apresentam mecanismos de dano complexos que podem ser difíceis de detectar em estágios iniciais. Os danos podem ocorrer durante a fabricação ou utilização, ou mesmo durante a manutenção. Em estruturas aeronáuticas, as maiores causas de dano estão ligadas a objetos que colidem com a estrutura, como a colisão de pássaros, granizo, pedras na pista de pouso/decolagem e por ferramentas durante a manutenção. Em vista disto, é grande o interesse em detectar danos incipientes provocados por impactos em componentes estruturais constituídos de materiais compostos. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é o de avaliar o uso de uma técnica de monitoramento de integridade estrutural baseada no conceito de impedância eletromecânica para a detecção e quantificação de danos causados por impactos de baixa energia em placas de material composto. O método da impedância eletromecânica é uma técnica não destrutiva que utiliza o acoplamento eletromecânico de materiais piezelétrico colados à superficie da estrutura monitorada. A metodologia adotada consiste em realizar impactos em corpos de prova de materiais compostos empregando um dispositivo pendular ad hoc que permite obter diversos valores da energia de impacto. Para cada corpo de prova, a impedância eletromecânica é medida antes e após os testes de impacto, sendo definida uma métrica de dano que estabelece a diferença entre as funções de impedância nas duas condições. Os ensaios experimentais foram planejados de forma a cobrir uma faixa relativamente ampla de condições de teste, notadamente no tocante à energia de impacto e dimensão da peça impactadora e à condição de impactos simples ou múltiplos. Também foram examinadas as influências da faixa de freqüências na qual a função de impedância é adquirida e do posicionamento dos transdutores piezelétricos quer na face impactada, quer na face oposta à impactada. Os resultados dos testes experimentais revelam que a técnica da impedância eletromecânica é capaz de detectar a presença de danos causados por impactos e de distinguir, em significativa parte dos casos, os diferentes graus de severidade do dano produzido nas diversas condições de teste. Foram construídos meta modelos estatísticos para o estabelecimento de relações entre as energias de impacto e a métrica de dano em ensaios de impactos simples e múltiplos. Tais técnicas mostraram-se úteis, especialmente em procedimentos de avaliação inversa das condições de impacto a partir de medições experimentais de funções de impedância eletromecânica.
Abstract: Nowadays, composite materials have increasingly replaced traditional materials in applications that require improved performance, safety, economy and durability. Nonetheless, such materials exhibit complex damage mechanisms that cannot be easily detected in early stages. Failures can occur during manufacturing, operation or even in the course of maintenance. In aeronautical structures, a major cause of damage is the collision with foreign objects, such as birds, hailstones, stones of working tools used for maintenance interventions. Hence, it becomes very interesting to detect incipient damage provoked by impact in composite structural components. In this context, the aim of this Dissertation is to evaluate the use of a structural health monitoring technique based on the concept of electromechanical impedance for detection and evaluation of the severity of low-energy impact damage induced in composite plates. The electromechanical impedance method is a non-destructive technique which explores the electromechanical coupling of piezoelectric materials bonded to the surface of the monitored structure. The methodology adopted consists in performing impacts in composite specimens using an ad hoc pendulum-type device conceived in such a way that different values of impact energy can be achieved. For each specimen, the electromechanical impedance functions are measured before and after the impact tests, and such functions are used to compute a damage metric which establishes the difference between the impedance functions in the two conditions. The experimental tests are planned in such a way to encompass a relatively broad range of test conditions, as related to impact energy and dimension of the impacting piece as well as the condition of single or multiple impacts. Also, it was investigated the influence of the frequency band in which the impedance functions are acquired and the influence of the position of the piezoelectric transductors, either on the impacted surface or on the surface opposite to the impacted one. The results of the experiments show that the electromechanical impedance technique is efficient in detecting the presence of damage caused by impacts and can distinguish, in a significant part of the cases, between different damage severity levels induced by different impact conditions. Additionally, statistical metamodels were built aiming at establishing functional relations between the values of the damage metric and impact energy for single and multiple impacts. Such techniques have proved to be useful, especially for the inverse evaluation of the impact conditions from measured values of electromechanical impedance.
Keywords: Monitoramento da integridade estrutural
Impedância eletromecânica
Meta modelagem
Impacto de baixa energia
Materiais compostos
Structural health monitoring
Impedance-based monitoring
Metamodeling
Low-energy impact
Composite materials
Vibração
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: TSURUTA, Karina Mayumi. Structural health monitoring of composite materials subjected to impacts using the electromechanical impedance technique. 2008. 138 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2008.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14825
Issue Date: 25-Apr-2008
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica

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