Applicazioni della tecnica di misura incremental hole drilling per provini sottili

Allo scopo di valutare le tensioni residue di un pannello in alluminio sottile, è stata sviluppata la tecnica definita Incremental Hole Drilling. Poichè tale tecnica è applicata a componenti di spessori rilevanti, per ovviare alle problematiche di vibrazione del provino è stata applicata una controlastra di resina polimerizzata per aumentare la rigidezza flessionale. Le analisi effettuate hanno mostrato una influenza della resina non trascurabile sullo stato di tensione del materiale.

Determinazione delle tensioni residue in componenti metallici sottili mediante "incremental hole drilling"

La vita di un aeromobile è un elemento importante sia per quanto riguarda la sicurezza del payload, che da un punto di vista economico, a causa delle spese di manutenzione/rinnovamento della flotta che una compagnia aerea deve affrontare. Gli elementi costitutivi di un aeromobile sono soggetti a diverse tipologie di carichi, alcuni dei quali ciclici come la pressurizzazione/depressurizzazione della fusoliera; tali carichi, nel lungo periodo, possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. Il legame tra tensioni residue e nascita/crescita delle cricche ha portato allo sviluppo di tecniche per contrastare questo fenomeno, come il processo del LSP. Per la misura delle tensioni residue esistono già normative di riferimento, le quali però non trattano componenti metallici di piccolo spessore mentre i pannelli di fusoliera rientrano in questa categoria. Scopo di questa tesi è quello di studiare una variante della tecnica HD adatta a valutare le tensioni residue in componenti metallici di piccolo spessore e confrontare i risultati con quelli ottenuti con la tecnica XRD. L’idea di partenza è l’implementazione di un supporto posteriore in resina che simuli la presenza di uno spessore maggiore.

Applicazione della tecnica "incremental hole drilling" su materiali compositi

Durante la vita operativa di un aeromobile, gli elementi costitutivi possono essere soggetti a diverse tipologie di carichi. Questi carichi possono provocare la nascita e la propagazione di eventuali cricche, le quali una volta raggiunta una determinata dimensione possono portare alla rottura del componente stesso causando gravi incidenti. A tale proposito, la fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche. Lo studio e l’applicazione dei principi di fatica sugli aeroplani sono relativamente recenti, in quanto inizialmente gli aerei erano realizzati in tela e legno, un materiale che non soffre di fatica e assorbe le vibrazioni. I materiali aeronautici si sono evoluti nel tempo fino ad arrivare all’impiego dei materiali compositi per la costruzione degli aeromobili, nel 21. secolo. Il legame tra nascita/propagazione delle cricche e le tensioni residue ha portato allo sviluppo di numerose tecniche per la misurazione di queste ultime, con il fine di contrastare il fenomeno di rottura a fatica. Per la misurazione delle tensioni residue nei componenti metallici esistono diverse normative di riferimento, al contrario, per i materiali compositi, la normativa di riferimento è tuttora oggetto di studio. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare una ricerca e studiare dei metodi di riferimento per la misurazione delle tensioni residue nei laminati compositi, tramite l’approfondimento di una tecnica di misurazione delle tensioni residue, denominata Incremental Hole Drilling.

Effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints

Bonded unions are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional fastening, riveting, bolting and welding techniques. Between the available bonding configurations, the single-lap joint is the most commonly used and studied by the scientific community due to its simplicity, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes in single-lap joints is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses at the damage initiation sites in structures or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints was analyzed experimentally with two main purposes: (1) to check whether or not the anchorage effect of the adhesive within the holes is more preponderant than the stress concentrations near the holes, arising from the sharp edges, and modification of the joints straining behaviour (strength improvement or reduction, respectively) and (2) picturing a real scenario on which the components to be bonded are modified by some external factor (e.g. retrofitting of decaying/old-fashioned fastened unions). Tests were made with two adhesives (a brittle and a ductile one) varying the adherend thickness and the number, layout and diameter of the holes. Experimental testing showed that the joints strength never increases from the un-modified condition, showing a varying degree of weakening, depending on the selected adhesive and hole drilling configuration.

Investigation of aspect ratio of hole drilling from micro to nanoscale via focused ion beam fine milling

Holes with different sizes from microscale to nanoscale were directly fabricated by focused ion beam (FIB) milling in this paper. Maximum aspect ratio of the fabricated holes can be 5:1 for the hole with large size with pure FIB milling, 10:1 for gas assistant etching, and 1:1 for the hole with size below 100 nm. A phenomenon of volume swell at the boundary of the hole was observed. The reason maybe due to the dose dependence of the effective sputter yield in low intensity Gaussian beam tail regions and redeposition. Different materials were used to investigate variation of the aspect ratio. The results show that for some special material, such as Ni-Be, the corresponding aspect ratio can reach 13.8:1 with Cl₂ assistant etching, but only 0.09:1 for Si(100) with single scan of the FIB.

Deep hole drilling ...

Introduction.--Principles of deep hold drilling, by L.G. French and C.L. Goodrich.--Deep hold drilling in gun construction, by J.M.B. Scheele.--Construction of deep hole drills, by F.B. Kleinhans, O. Eckelt, and E.W. Norton.

Deep hole drilling with twist drills: aspects of the CNC process and its real time monitoring and adaptive control

Deep hole drilling is one of the most complicated metal cutting processes and one of the most difficult to perform on CNC machine-tools or machining centres under conditions of limited manpower or unmanned operation. This research work investigates aspects of the deep hole drilling process with small diameter twist drills and presents a prototype system for real time process monitoring and adaptive control; two main research objectives are fulfilled in particular : First objective is the experimental investigation of the mechanics of the deep hole drilling process, using twist drills without internal coolant supply, in the range of diarneters Ø 2.4 to Ø4.5 mm and working length up to 40 diameters. The definition of the problems associated with the low strength of these tools and the study of mechanisms of catastrophic failure which manifest themselves well before and along with the classic mechanism of tool wear. The relationships between drilling thrust and torque with the depth of penetration and the various machining conditions are also investigated and the experimental evidence suggests that the process is inherently unstable at depths beyond a few diameters. Second objective is the design and implementation of a system for intelligent CNC deep hole drilling, the main task of which is to ensure integrity of the process and the safety of the tool and the workpiece. This task is achieved by means of interfacing the CNC system of the machine tool to an external computer which performs the following functions: On-line monitoring of the drilling thrust and torque, adaptive control of feed rate, spindle speed and tool penetration (Z-axis), indirect monitoring of tool wear by pattern recognition of variations of the drilling thrust with cumulative cutting time and drilled depth, operation as a data base for tools and workpieces and finally issuing of alarms and diagnostic messages.

Confronto tra le tecniche XRD e IHD per la misura di tensioni residue

Le rotture a fatica dei componenti sono dovute principalmente alle tensioni di trazione generate da carichi ciclici e variabili nel tempo. Le cricche causate da questo tipo di tensioni possono propagarsi e crescere fino a causare danni catastrofici nel componente. La fatica costituisce uno dei fattori principali di rottura delle strutture aeronautiche; in campo aeronautico sono quindi molto diffusi dei trattamenti superficiali che permettono di indurre tensioni di compressione che contrastano quelle di trazione, in modo tale da ritardare o prevenire le rotture dovute al fenomeno della fatica. Esistono diverse tecniche per raggiungere questo risultato e permettere di prolungare la vita a fatica di un componente metallico, la più nota è sicuramente il Laser Shock Peening (LSP). Nel corso degli ultimi anni la maggior parte delle ricerche condotte rispetto a questa tecnica sono state incentrate sugli effetti meccanici che questo trattamento ha sul materiale in modo da determinare la configurazione ottimale per ottenere una distribuzione delle tensioni il più efficace possibile ai fini della vita a fatica; sono state svolte diverse prove sperimentali per studiare il ruolo dei parametri del laser e ottimizzare la procedura del LSP. Tra le tecniche utilizzate per valutare gli effetti del LSP in termini di tensioni residue, spiccano, oltre ai metodi computazionali, l'X-ray Diffraction (XRD) e l'Incremental Hole Drilling (IHD). L'elaborato di tesi qui presentato ha come scopo il confronto tra i livelli di tensioni residue riscontrate all'interno di provini sottili in lega di alluminio, sottoposti a differenti trattamenti laser, attraverso i suddetti metodi XRD e IHD. I risultati, già noti, ottenuti con la tecnica l'XRD sono stati posti a verifica attraverso dei test svolti con l'IHD presso i laboratori MaSTeRLab della Scuola di Ingegneria dell'Università di Bologna.

Caracterização microestrutural e análise de tensões residuais pelo método do furo cego em tubo de seção quadrada com costura.

Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material.

高密度聚乙烯塑料压力管道热板焊接头应力分布有限元分析

基于热粘弹性积分型本构关系,考虑材料性能依赖于温度变化及相变潜热的影响,利用AN SYS热-力耦合及载荷步功能模拟结晶型高密度聚乙烯(HDPE)塑料压力管道热板焊接过程,并对焊接接头的应力分布进行有限元分析,得到了环向、轴向以及径向瞬态应力分布的基本规律。采用盲孔法和锯切法测量焊后残余应力,实测结果与数值分析基本符合

Estudo da Delaminação em Compósitos de Epóxido Reforçado com Borracha e Fibras Naturais

Nos últimos anos, a utilização dos materiais compósitos tem vindo a tornar-se cada vez mais comum em várias indústrias, onde se verifica uma ascensão na procura pelos mesmos. Características como o baixo peso aliado à sua alta resistência e rigidez permitem que estes materiais possuam diversas aplicações em variadas áreas, desde a medicina, aeronáutica, indústria automóvel e aeroespacial, até à indústria eletrónica. Hoje em dia, o uso de desperdícios sólidos de borracha e fibras naturais na produção de materiais compósitos é, mais que uma opção, uma necessidade ambiental. De forma a reduzir as enormes quantidades de desperdícios, foi criado um material compósito constituído por uma resina termoendurecível reforçada com esses dois tipos de desperdícios. Parâmetros de fabrico como a percentagem de borracha, o tamanho das partículas de borracha, a percentagem de fibras de cana-de-açúcar e o comprimento dessas fibras foram variados, com o objetivo de estudar a influência destes dois materiais nas propriedades mecânicas do compósito. Apesar da maior parte dos compósitos serem fabricados na forma de uma peça funcional quase pronta a ser utilizada, por vezes é necessário recorrer à maquinação de furos. Apesar das muitas técnicas de furação existentes, os defeitos resultantes deste processo aplicado aos materiais compósitos são ainda muito comuns. Desses defeitos o que mais se destaca é sem dúvida a delaminação. Trinta e seis provetes de epóxido reforçado com borracha e fibra de cana-de-açúcar foram fabricados e furados, de modo a possibilitar o estudo das propriedades mecânicas do material compósito, assim como a análise da zona danificada durante a furação. Diferentes condições de furação, como tipos de broca e velocidades de avanço diferentes, foram impostas aos provetes de forma a variar o mais possível a zona de dano de uns furos para os outros. Parâmetros como a área de dano ou ainda o fator de delaminação provam ser muito úteis na caracterização e quantificação do dano na zona periférica de um furo. Recorrendo a técnicas de processamento de imagem foi possível obter esses parâmetros. O processamento e análise de imagem pode ser feito através de vários métodos. O método utilizado neste trabalho foi o software MATLAB® associado a ferramentas de processamento de imagem. Depois de feita a análise dos furos foram realizados ensaios de esmagamento a todos os provetes. Este passo permitiu assim avaliar de que forma os parâmetros de furação influenciam a resistência mecânica do material, e se a avaliação realizada aos furos é um método viável para a avaliação da extensão de dano nesses furos.

Uma contribuição ao estudo das tensões residuais no fresamento

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Measurement of LSP-induced residual stresses and fatigue life on thin-walled aluminium alloys specimens

This thesis work encloses activities carried out in the Laser Center of the Polytechnic University of Madrid and the laboratories of the University of Bologna in Forlì. This thesis focuses on the superficial mechanical treatment for metallic materials called Laser Shock Peening (LSP). This process is a surface enhancement treatment which induces a significant layer of beneficial compressive residual stresses underneath the surface of metal components in order to improve the detrimental effects of the crack growth behavior rate in it. The innovation aspect of this work is the LSP application to specimens with extremely low thickness. In particular, after a bibliographic study and comparison with the main treatments used for the same purposes, this work analyzes the physics of the operation of a laser, its interaction with the surface of the material and the generation of the surface residual stresses which are fundamentals to obtain the LSP benefits. In particular this thesis work regards the application of this treatment to some Al2024-T351 specimens with low thickness. Among the improvements that can be obtained performing this operation, the most important in the aeronautic field is the fatigue life improvement of the treated components. As demonstrated in this work, a well-done LSP treatment can slow down the progress of the defects in the material that could lead to sudden failure of the structure. A part of this thesis is the simulation of this phenomenon using the program AFGROW, with which have been analyzed different geometric configurations of the treatment, verifying which was better for large panels of typical aeronautical interest. The core of the LSP process are the residual stresses that are induced on the material by the interaction with the laser light, these can be simulated with the finite elements but it is essential to verify and measure them experimentally. In the thesis are introduced the main methods for the detection of those stresses, they can be mechanical or by diffraction. In particular, will be described the principles and the detailed realization method of the Hole Drilling measure and an introduction of the X-ray Diffraction; then will be presented the results I obtained with both techniques. In addition to these two measurement techniques will also be introduced Neutron Diffraction method. The last part refers to the experimental tests of the fatigue life of the specimens, with a detailed description of the apparatus and the procedure used from the initial specimen preparation to the fatigue test with the press. Then the obtained results are exposed and discussed.

Laser shock peening without absorbent coating (LSPwC) effect on 3D surface topography and mechanical properties of 6082-T651 Al alloy

The influence of nanosecond laser pulses applied by laser shock peening without absorbent coating (LSPwC) with a Q-switched Nd:YAG laser operating at a wavelength of λ = 1064 nm on 6082-T651 Al alloy has been investigated. The first portion of the present study assesses laser shock peening effect at two pulse densities on three-dimensional (3D) surface topography characteristics. In the second part of the study, the peening effect on surface texture orientation and micro-structure modification, i.e. the effect of surface craters due to plasma and shock waves, were investigated in both longitudinal (L) and transverse (T) directions of the laser-beam movement. In the final portion of the study, the changes of mechanical properties were evaluated with a residual stress profile and Vickers micro-hardness through depth variation in the near surface layer, whereas factorial design with a response surface methodology (RSM) was applied. The surface topographic and micro-structural effect of laser shock peening were characterised with optical microscopy, InfiniteFocus® microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Residual stress evaluation based on a hole-drilling integral method confirmed higher compression at the near surface layer (33 μm) in the transverse direction (σmin) of laser-beam movement, i.e. − 407 ± 81 MPa and − 346 ± 124 MPa, after 900 and 2500 pulses/cm2, respectively. Moreover, RSM analysis of micro-hardness through depth distribution confirmed an increase at both pulse densities, whereas LSPwC-generated shock waves showed the impact effect of up to 800 μm below the surface. Furthermore, ANOVA results confirmed the insignificant influence of LSPwC treatment direction on micro-hardness distribution indicating essentially homogeneous conditions, in both L and T directions.