Estudo da precisão e da exatidão da técnica da birrefringência acústica na avaliação de tensões residuais e aplicadas.

Este trabalho apresenta um procedimento numérico para o estudo da precisão e da exatidão da técnica de birrefringência acústica como usada no Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) para avaliação de tensões residuais e aplicadas em estruturas metálicas. Esse procedimento deverá ser incorporado posteriormente ao módulo de processamento de sinal do sistema ultrassônico utilizado no Laboratório de Ultrassom do IEN para levar em conta, de forma automática e sistemática, as incertezas nos dados de entrada e as suas propagações ao longo dos cálculos efetuados. A birrefringência acústica é geralmente definida a partir das velocidades de duas ondas ultrassônicas volumétricas de incidência normal e ortogonais entre si. A birrefringência pode ser definida diretamente a partir dos tempos de percurso dessas duas ondas, uma vez que elas percorrem o mesmo espaço físico. Os tempos de percurso das ondas podem ser assim considerados como as variáveis primárias de interesse. Por meio da teoria da acustoelasticidade é possível relacionar a birrefringência acústica com as tensões atuantes no material explorando o fato da velocidade da onda ultrassônica ser afetada pela presença de um campo de tensões. Nesta dissertação elaborou-se um conjunto de planilhas eletrônicas no aplicativo Microsoft Excel para efetuar de forma automática todos os cálculos necessários ao objetivo proposto, levando em conta as incertezas nos dados, sua propagação ao longo dos cálculos e o número de dígitos significativos nos resultados. Como exemplo do procedimento desenvolvido, o estudo da precisão e da exatidão na determinação das tensões em uma viga de aço sob flexão pela técnica da birrefringência acústica é apresentado. Como valor de referência, para fins do cálculo da exatidão alcançada, utilizou-se uma solução analítica derivada da teoria clássica da resistência de materiais. Os resultados encontrados indicaram uma razoável precisão, com um erro relativo menor do que 8%, e uma baixa exatidão, menor do que 57%, nos pontos da viga sujeitos às maiores tensões principais de flexão.

This work presents a numerical procedure for estimation of the precision and accuracy of the acoustic birefringence technique as used in the Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) for evaluation of residual and applied stresses in structures. This procedure shall be incorporated latter to the signal processing module of ultrasonic system used at IENs Ultrasonic Laboratory to account in an automatic and systematic way for the uncertainties in the input data and their propagation throughout the calculations. The acoustic birefringence is generally defined from the speeds of two mutually orthogonal volumetric waves of normal incidence. The birefringence can be defined directly from the time-of-flight of the waves, since they travel the same physical space. The times-of-flight of the waves can thus be regarded as the primary variables of interest. By means of the acoustoelasticity it is possible to relate the acoustic birefringence with the stresses acting in the material exploring the fact that the velocity of the ultrasonic wave is changed by the existence of a stress field. A Microsoft Excel spreadsheet performs all calculations taking into account the uncertainties in the input data, their propagation throughout the calculations and the number of significant digits in the results. As an example of the procedure developed, the estimation of the precision and accuracy in the evaluation of the stresses acting in a beam under bending is presented. The analytical solution derived from the strength of materials theory was used as the reference value for accuracy estimation purpose. The results indicated a reasonable precision, with a relative error less than 8%, and a poor accuracy, with less than 57% in the points of the beam subjected to the maximum and minimum principal bending stresses.