Tesina "Andamento qualitativo della distribuzione di stress tramite analisi TSA"

1.Introduzione

La tecnica di misura di stress nota come TSA (Thermoelastic Stress Analysis), basata sulla teoria della

termoelasticità ampiamente sviluppata e analizzata da circa 150 anni, è di relativamente recente sviluppo

in quanto legata all’utilizzo di termocamere ad alta risoluzione termica ed elevato frame rate.

La tecnica utilizzata, ampliamente descritta nel seguito, è applicata solitamente per ottenere distribuzioni

di stress e quindi anche per la rilevazione di difetti su strutture e componenti meccanici a geometria

complessa sia in materiali metallici che compositi. Essa mostra notevoli vantaggi in quanto non distruttiva,

senza contatto e full-field (limitatamente alla risoluzione spaziale della termocamera), ma presenta alcuni

svantaggi come vedremo nel seguito, tra cui il principale risiede nell’impossibilità intrinseca alla tecnica di

lock-in di eliminare rumore sincrono con il carico periodico, ovvero alla stessa frequenza; si è evidenziato

tale fenomeno proprio in alcune dei test eseguiti.

Obiettivo della trattazione seguente è stato quello di mostrare la potenzialità della suddetta tecnica di

misura per determinare una distribuzione qualitativa del primo invariante di stress su provini,

adeguatamente selezionati, sollecitati con un carico sinusoidale a varie frequenze di eccitazione.

Peculiarità del lavoro svolto sono state la non conoscenza esatta della frequenza di eccitazione (si

spiegherà in seguito) e l’assenza di lock-in “real time”, ovvero di un amplificatore lock-in; la

determinazione della pulsazione e l’implementazione della tecnica di lock-in sono state il fulcro di questa

trattazione, evidenziando come nella TSA sia fondamentale la conoscenza della frequenza di eccitazione,

quindi di risposta del sistema, per ottenere un risultato apprezzabile.

L’obiettivo che si è perseguito è stato perciò l’ottenimento di una “mappa di stress” che renda visibile a

colpo d’occhio le zone maggiormente sollecitate sulla superficie del provino oggetto di misura.

L’ attività è stata strutturata in tre fasi:

 Allestimento banco prova e acquisizione dei dati, svoltasi all’interno del laboratorio di Misure del

Dipartimento di Ingegneria con la strumentazione messa a disposizione dalla facoltà stessa;

 Elaborazione e analisi dei dati sperimentali;

 Interpretazione e sintesi dei risultati ottenuti.

Sono emerse alcune limitazioni ai test eseguiti sui provini dovute a vari fattori ambientali e non, come

sarà spiegato nel seguito, a dimostrazione del fatto che vi sono anche degli svantaggi nell’uso di tale

tecnica; non è ovviamente in discussione la bontà di suddetto sistema di misura, in quanto applicabile in

molteplici campi dell’ingegneria, dell’industria e strumento fondamentale per la meccanica sperimentale.

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2. Aspetti teorici TSA

2.1 Il principio termoelastico

La Thermoelastic Stress Analysis è una tecnica per la misurazione indiretta dell’andamento delle tensioni

superficiali in un corpo, che sfrutta il principio termoelastico: ogni sostanza presente in natura, se soggetta

ad una variazione di volume per effetto di forze esterne, subisce un gradiente reversibile di temperatura

direttamente proporzionale alla variazione di volume che accompagna la deformazione. Tale fenomeno,

da tempo noto per i gas, i quali se compressi aumentano la loro temperatura mentre la diminuiscono se

rarefatti, è ben più evidente rispetto ai solidi dove la variazione di temperatura è dell’ordine di centesimi

di grado. La relazione che lega la variazione di volume di un corpo sollecitato alla relativa variazione di

temperatura è noto come “effetto termoelastico”. L’effetto termoelastico è valutabile mediante la

seguente relazione che lega la variazione di temperatura dT al campo tensionale, nel caso di un solido

omogeneo, elastico e lineare