Raziskovalci iz Laboratorija za dinamiko strojev in konstrukcij (LADISK) so razvili nov pristop za identifikacijo večosnega vibracijskega utrujanja v frekvenčni domeni z uporabo termoelastičnosti, katerega cilj je izboljšati možnosti za identifikacijo utrujenostne poškodbe v realnem času. Rezultati študije so objavljeni v reviji Mechanical Systems and Signal Processing (IF=7,9).
Materiali, ki so v dinamskih procesih izpostavljeni večosnem vibracijskem utrujanju, pogosto nepredvidljivo odpovejo. Poškodbe zaradi utrujenosti so običajno lokalizirane tako časovno kot prostorsko, obremenitve pa se s časom lahko spreminjajo, kar otežuje eksperimentalno identifikacijo poškodbe. Učinkovito rešitev za tovrstne izzive predstavlja termoelastičnost, saj omogoča zaznavanje majhnih temperaturnih sprememb in s tem možnost za identifikacijo poškodb v skoraj realnem času z visoko prostorsko ločljivostjo.
Termoelastičnost preučuje interakcijo med temperaturnimi spremembami in elastičnimi deformacijami v materialih. Majhne temperaturne spremembe je mogoče povezati s seštevkom normalnih napetosti, kar omogoča pridobivanje informacij o večosnem napetostnem stanju. V adiabatnih pogojih se pod tlačnimi obremenitvami pojavi lokalno segrevanje, medtem ko natezne obremenitve povzročajo lokalno hlajenje materiala. V primeru harmonskega vzbujanja se v materialu pojavi harmonski temperaturni odziv, ki ga je mogoče zaznati z infra-rdečo termalno kamero in analizirati v frekvenčnem prostoru.
Raziskava obravnava uporabo termoelastičnosti v večosnem kriteriju, kar vodi v ekvivalentno enoosno obremenitev. Raziskovalci so predstavili numerično formulacijo večosnega kriterija, ki temelji na termoelastičnosti, in ga primerjali z uveljavljenim von Misesovim napetostnim kriterijem (EVMS) v frekvenčnem prostoru. V eksperimentalnem delu študije so uporabili hitro infra-rdečo termalno kamero za validacijo numeričnih simulacij, kar je omogočilo preverjanje natančnosti izračunov in še dodatno podprlo uporabnost termoelastičnih metod pri analizi večosnega utrujanja.
Slika 1: Grafični povzetek, ki prikazuje numerično simulacijo poškodbe zaradi večosnega napetostnega stanja, izračunane z uporabo predstavljenega termoelastičnega kriterija, v primerjavi z eksperimentalno identifikacijo poškodbe z uporabo infrardeče kamere.
Rezultati raziskave so pokazali močno korelacijo med simulirano in izmerjeno poškodo, zlasti pri prepoznavanju kritičnih točk, kjer je verjetnost odpovedi zaradi utrujanja največja. Raziskava je razkrila, da termoelastični kriterij dobro prepoznava normalne napetosti, ki so ključne v mnogih primerih utrujanja, na primer pri upogibu, kjer pride do cikličnih nateznih in tlačnih obremenitev.
Raziskava tako odpira nove možnosti za brezkontaktno identifikacijo večosnega utrujenanja, saj ponuja napredno orodje za napovedovanje odpovedi materialov pod dinamičnimi obremenitvami. Napredek na področju analize utrujenosti zaradi vibracij in eksperimentalnih metod vodi k izboljšavam pri zasnovi in vzdrževanju konstrukcij, ki so podvržene dinamičnim obremenitvam, s čimer se zmanjšuje stopnja odpovedi in podaljšuje življenjska doba teh struktur.