PROYECTO FIN DE CARRERA Monitorización de...

PROYECTO FIN DE CARRERA

Monitorización de estado estructural

mediante sensores de fibra óptica tipo

redes de Bragg

Autor: Daniel Cortés Benítez

Titulación: Ingeniería Aeronáutica

Tutor: Fernando A. Lasagni

Cotutor: Sergio González López

Monitorización de estado estructural mediante sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg

2


3

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 6

2. OBJETIVOS Y MOTIVACIONES .............................................................................................. 7

3. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................ 9

3.1 SENSORES FBG ........................................................................................................................ 9

3.2 MONITORIZACION DE ESTADO ESTRUCTURAL ............................................................................... 18

3.3 ESTUDIOS REALIZADOS CON FBGS .............................................................................................. 22

4. PLAN DE ENSAYOS ............................................................................................................. 36

4.1 MATERIALES ......................................................................................................................... 36

4.2 EQUIPAMIENTO .................................................................................................................... 41

4.3 ENSAYOS ............................................................................................................................. 55

4.3.1 ENSAYOS MECÁNICOS A TRACCIÓN......................................................................................... 57

4.3.2 ENSAYOS MECÁNICOS A FLEXIÓN ........................................................................................... 69

4.3.3 EMBEBIDO DE SENSORES FBG DURANTE LA FABRICACIÓN DE UN PANEL DE MATERIAL COMPUESTO ..... 73

5. PUESTA A PUNTO............................................................................................................... 80

5.1 ESTUDIO DE OPTIMIZACIÓN PARA ARAMIS .................................................................................. 80

5.2 ESTUDIO DE EXCENTRICIDAD DE LAS MORDAZAS DE LA MÁQUINA ZWICK ........................................... 85

5.3 ENSAYO PRELIMINAR PARA LA PUESTA A PUNTO DEL INTERROGADOR ÓPTICO SM130.......................... 86

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................ 89


4

6.1 ENSAYOS MECÁNICOS A TRACCIÓN ............................................................................................ 89

6.2 ENSAYOS MECÁNICOS A FLEXIÓN ............................................................................................ 111

6.3 EMBEBIDO DE SENSORES FBG DURANTE LA FABRICACIÓN DE UN PANEL DE MATERIAL COMPUESTO ...... 117

7. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS .................................................................... 119

8. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 122


5

AGRADECIMIENTOS

Antes de empezar me gustaría mostrar mi más humilde agradecimiento a las personas que

con su ayuda han hecho posible la consecución de este proyecto.

En primer lugar, agradecer la confianza que el centro tecnológico FADA-CATEC depositó en

mí para llevar a cabo el desarrollo de este proyecto, la cual me ha permitido disfrutar de una

grata primera experiencia laboral. Especial mención merecen mis tutores Dr. Fernando A.

Lasagni y Sergio González por su generosa dedicación y su gran labor a la hora de guiarme

durante el transcurso del mismo.

En segundo lugar, debo destacar la contribución de Rosario Fernández y Nicolás Gutiérrez

por haber estado ahí en todo momento compartiendo horas de trabajo conjunto. Así mismo

considero necesario mencionar el buen ambiente de trabajo vivido durante este periodo de

seis meses, fruto de las grandes personas y profesionales que componen el departamento

de Materiales y Procesos de dicho centro tecnológico.

No puedo olvidarme tampoco de los profesores que durante estos años de carrera me han

transmitido sus conocimientos colaborando así en mi formación profesional.

Por último, agradecer el apoyo prestado durante este largo camino a mis seres queridos y

sin el cual me hubiera sido difícil en ocasiones seguir adelante.

Es increíble que después de estos años de duro trabajo por fin esté escribiendo los

agradecimientos de mi proyecto fin de carrera.


6

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo principal del presente proyecto es la puesta a punto del interrogador óptico

sm130 que será posteriormente utilizado en el análisis comparativo de la actitud de los

sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg, FBGS (acrónimo de la lengua inglesa: Fiber

Bragg Grating Sensors) frente a diversos métodos tradicionales de medida de

deformaciones, en su aplicación para la monitorización de estado estructural, SHM

(acrónimo de la lengua inglesa: Structural Health Monitoring).

En primer lugar se presentan los objetivos y las motivaciones que han dado lugar a la

realización del presente proyecto. Seguidamente se explica en el estado del arte el

fundamento de esta novedosa técnica así como el estado actual de su desarrollo

mencionando diferentes estudios realizados hasta hoy.

El siguiente bloque representa el grueso del documento. Se presenta en él la campaña de

ensayos realizados con dos tipos de materiales distintos: aluminio y material compuesto

carbono/epoxi, aunque el peso de los ensayos recae notablemente sobre el segundo. Así

mismo se explica brevemente cada uno de los equipos de medida utilizados detallando sus

principales características técnicas.

Antes de discutir los resultados obtenidos, se hace reseña a varias pruebas de verificación

encuadradas dentro de la puesta a punto de diferentes equipos empleados durante el

proyecto. Tras discutir los resultados obtenidos en los diferentes ensayos, se mencionan las

conclusiones extraídas en este estudio haciendo notar las líneas de investigación futuras

necesarias para seguir profundizando en el desarrollo de esta prometedora técnica.


7

2. OBJETIVOS Y MOTIVACIONES

Una de las grandes revoluciones que se han producido durante las últimas dos décadas en el

sector de la aviación ha sido la incorporación de los materiales compuestos (o composites) al

diseño y construcción. La evolución hacia el composite se debe a un aumento en los

conocimientos físicos y de comportamiento del material que la industria aeronáutica ha

adquirido sobre él. Entre sus numerosas ventajas destacan sus altas características

mecánicas específicas, posibilidad de diseño a medida, alta resistencia ante agentes

químicos, buen comportamiento frente al fuego y a fatiga, resistencia a la corrosión y lo que

es más importante, el ahorro en peso que supone su uso.

A mediados de los 80 las grandes compañías del sector aeronáutico deciden apostar por el

desarrollo e incorporación de piezas de composite a sus aviones. El avance ha aumentado

existiendo en la actualidad prototipos con un peso estructural de material compuesto

cercano al 50 %, como es el caso del A380 de la compañía Airbus, Figura 1, donde se observa

la distribución de diferentes materiales empleados en su fabricación.

Figura 1. Uso de composites. A380


8

Al mismo tiempo surge la idea de monitorización de estado estructural, práctica que consiste

en monitorizar una estructura en todo su ciclo de vida con el fin de detectar cambios en sus

propiedades estructurales que indiquen una disminución en su rendimiento. Para ello se

distribuye, sobre la estructura a monitorizar, una serie de sensores capacitados para medir

las magnitudes físicas deseadas.

Recientemente se está estudiando la posibilidad de emplear sensores de fibra óptica tipo

redes de Bragg como sensores de deformación, temperatura y presión. Las cualidades de

estos sensores y su posibilidad de integración en estructuras de material compuesto los

capacita para esta labor, aunque se trata de una tecnología aún en fase de estudio y

desarrollo.

La ejecución de este proyecto supone la fase de inicio dentro un estudio más profundo

gestionado por el Centro Andaluz de Tecnologías Aeroespaciales, con el que se pretende

jugar un papel importante en el desarrollo de los sensores FBG y su aplicabilidad a la

monitorización de “salud” estructural en futuros componentes de aeronaves.

Como objetivos dentro de esta fase inicial, y que ocupa la extensión del presente proyecto,

se encuadran la tarea de puesta a punto del interrogador óptico sm130, equipo utilizado

para analizar la respuesta de sensores de fibra óptica ante diversas excitaciones, así como

una primera fase de ensayos mecánicos con los que se pretende comparar la respuesta de

estos sensores frente a sistemas de medidas tradicionales.


9

3. ESTADO DEL ARTE

En esta revisión bibliográfica se demuestra que los sensores de fibra óptica tipo redes de

Bragg tienen un alto potencial en su aplicación como sensor de diferentes magnitudes físicas

tales como deformaciones, temperatura, presión, etc, existiendo actualmente en el mercado

diversos equipos de lectura automatizados para ser empleados tanto en laboratorio como

en estructuras reales.

Se contemplará la necesidad de aplicación de esta nueva tecnología en las actuales

estructuras de materiales compuestos con el fin de sustituir a los elementos de medida

tradicionales utilizados en la monitorización del estado estructural, especialmente en el

sector aeronáutico y aeroespacial. Así mismo, se presentarán algunos ejemplos de aplicación

reciente.

No obstante, para una aplicación generalizada de FBGS, es necesario realizar aún una gran

cantidad de ensayos simulando las condiciones operativas a las que estarán expuestas en su

vida real, para entender mejor su respuesta y estudiar su impacto estructural en el material

huésped.

3.1 SENSORES FBG

Existen una gran variedad de sensores indicados para medir deformaciones y temperaturas

entre los que destacan tres tipos: ópticos, electromagnéticos y electromecánicos. En el

desarrollo de este proyecto se trabaja con el primer tipo de sensor mencionado. Este

presenta, entre otras ventajas, la posibilidad de ser integrado en materiales compuestos, en

los cuales se centran los objetivos de este proyecto.

La fibra óptica suele estar compuesta por un núcleo central de vidrio óptico (SiO2) de

diámetro entre 5 µm y 10 µm, una corteza del mismo material de hasta 125 µm y un

revestimiento de hasta 250 µm, este último es distinto dependiendo del material sobre el


10

que va a ser utilizado y la temperatura de aplicación, Figura 2. Se utilizan revestimientos de

acrilato o poliimida para proteger la fibra óptica, especialmente frente al agua o al

hidrógeno, que pueden favorecer el crecimiento de posibles grietas afectando así a la

estabilidad mecánica de la fibra.

Figura 2. Composición Fibra Óptica

Estas dimensiones son relativamente grandes si se piensa en embeber la fibra óptica en

material compuesto. Por ejemplo, el diámetro de una fibra de carbono está comprendido

entre valores de 5 a 10 µm. Se están desarrollando sensores de fibra óptica miniaturizados

que no superan las 50 µm de diámetro con el fin de minimizar el posible efecto adverso

sobre el material huésped [SAT 2002].

La diferencia de índice de refracción entre el núcleo y la corteza hace que la luz, procedente

de una fuente, viaje a lo largo del núcleo. De este modo, se pueden recorrer grandes

distancias sin pérdida significativa de intensidad. Esta pérdida sólo es apreciable para valores

de radio de curvatura por debajo de 30 mm o cuando está sometida a fuerzas transversales

significativas.


11

Aunque la fibra óptica aún no es capaz de competir completamente con las galgas

extensométricas en cuanto a precio y precisión se refiere, presentan algunas cualidades que

las hacen muy adecuadas según su aplicación:

• Bajo peso y volumen.

• Buena integración en materiales compuestos.

• Capacidad de medir directamente parámetros como deformación o temperatura.

• Eléctricamente pasivo.

• Inmune a radiaciones magnéticas.

• Buena resistencia a corrosión y fatiga. Larga vida.

• Capacidad de medir grandes deformaciones (>10000 µm/m) y trabajar en un amplio

rango de temperaturas (4 K - 950 K).

• Alta sensibilidad y amplio ancho de banda.

• Fácil de instalar.

• Posibilidad de multiplexación.

Por supuesto también existen aspectos en los que la fibra óptica muestra ciertas debilidades:

• Fragilidad de la fibra. El radio de curvatura de la fibra debe ser mayor de 10 mm.

• Necesidad de equipos interrogadores.

• Muestra alta dependencia con la temperatura. (Δλ/λ causado por 1 oC es equivalente

al causado por 8 µm/m). Necesidad de compensar el efecto de la temperatura.

Los sensores ópticos usados hoy en día son los llamados Fabry-Perot (basados en

interferometría) y las redes de Bragg (basados en difracción múltiple) [MEN 1999]. Puesto

que este último será el utilizado en el desarrollo del proyecto, se entrará en cuestión sobre

su funcionamiento.

Una red de Bragg consta de una serie de franjas grabadas en el núcleo de la fibra óptica con

el fin de que el índice de refracción no sea constante sino que varíe periódicamente a lo

largo de la longitud del marcado, Figura 3.

Monitorización de estado estructural mediante sensores

12

Figura

De este modo se consigue que el marcado se comporte como un filtro que refleja una

determinada longitud de onda de la luz (longitud de onda de Bragg) dejando pasar el resto

del espectro óptico. La siguiente expresión refleja dicha condición de Bragg:

Donde:

λB = Longitud de onda de Bragg

n0 = Índice de refracción efectivo

Λ = Periodo de modulación

Marcado de la red de Bragg

Para inducir las redes de Bragg se utilizan fuentes láser de luz UV de alta potencia (KrF o ArF)

con longitudes de onda entre 240


Figura 3. Red de Bragg con marcado uniforme



La siguiente expresión refleja dicha condición de Bragg:

��

= Longitud de onda de Bragg

= Índice de refracción efectivo


de onda entre 240 nm y 250 nm [MAN 2008]. El patrón de interferencia



La siguiente expresión refleja dicha condición de Bragg:


nm [MAN 2008]. El patrón de interferencia


13

puede ser generado con la ayuda de una máscara de fase, Figura 4, o con técnicas de

separación del haz de láser, Figura 5.

Figura 4. Máscara de fase

El procedimiento estándar para obtener FBGS de alta reflectividad (>90% de la reflectividad

máxima) es desmantelar el recubrimiento de la fibra, exponerla al patrón de interferencia

ultravioleta y luego embeberla de nuevo en su recubrimiento. Este proceso de

desmantelamiento debe ser realizado muy cuidadosamente. Aún así, existe una pérdida de

resistencia a rotura importante por parte de la fibra. Para evitar esta problemática se ha

desarrollado un segundo método de inducción de redes de Bragg.

En este caso, y como se observa en la siguiente figura, el marcado se lleva a cabo en el

mismo proceso de estirado de la fibra. La preforma del material procede de un horno donde

es dopado con germanio. Posteriormente se procede a cubrir núcleo y corteza de vidrio

óptico con el revestimiento correspondiente. De este modo se evita el proceso de

desmantelamiento.


14

Figura 5. Marcado en vacío

Fundamento físico

En la medición de deformaciones y temperaturas se persigue el corrimiento del pico del

espectro óptico reflejado en el FBGS, Figura 6.

Figura 6. Desplazamiento de longitud de onda de Bragg

Una gran ventaja de los sensores de Bragg es que son capaces de medir deformaciones

absolutas que, además, no varían con el tiempo. Al aplicar una deformación uniforme a la


15

red ya sea por esfuerzo mecánico, por dilatación térmica o por ambas combinadas, se

modifica su periodo. Esto hace que se observe un desplazamiento del valor de longitud de

onda de Bragg (longitud de onda reflejada por la red) proporcional a la deformación de la

misma. Esta propiedad capacita al sensor de Bragg para que, pegado o embebido

correctamente sobre el material, pueda comportarse como sensor local de deformaciones.

La longitud de onda de Bragg cambia con la deformación y la temperatura de acuerdo a la

siguiente ecuación:

� � � ∗ + �� ∗ �� (��. �)

Donde:

Δλ = Variación de longitud de onda de Bragg

λ0 = Longitud de onda de referencia al inicio del ensayo

k = Factor de galga; � � 1 − �

p = Coeficiente fotoelástico

ε = Deformación

αδ = Variación en el índice de refracción; �� ⁄��

ΔT = Variación de temperatura en K

El primer término a la derecha de la igualdad en Ec. 1 engloba el efecto causado por la

deformación mecánica y por la dilatación térmica del material (Ec. 2), mientras que el

segundo indica el cambio producido en el índice de refracción de la fibra óptica por el efecto

sólo de la temperatura.

� � + � (��. �)

εm = Deformación mecánica


16

εT = Dilatación térmica; � � � ! ∗ ��

αsp = Coeficiente de expansión térmica del material huésped

La ecuación inicial queda de la siguiente manera:

� � � ∗ " � + � ! ∗ ��# + �� ∗ �� (��. $)

Como se ha mencionado con anterioridad, la fibra óptica muestra una alta dependencia con

la temperatura. Si se desea obtener deformación propia del material sobre el que es

integrado el sensor FBG, es necesario por tanto emplear técnicas de compensación de

temperatura para eliminar el efecto de ésta sobre el índice de refracción de la fibra óptica.

Dos son los métodos más extendidos:

• Si se conoce un punto de deformación nula, se compensa la medición de

deformación real con la medición de un sensor situado en tal punto cuya

ecuación simplificada con εm=0 es la siguiente:

�%% � "� ∗ � ! + ��# ∗ �� (��. &)

La deformación mecánica viene determinada por la siguiente expresión:

� � 1� ∗ '�� − �%% ( (��. ))

Donde:

Δλm = Variación de longitud de onda del sensor FBG de medida de deformación

λ0m = Longitud de onda de referencia del sensor FBG de medida de deformación

Δλc = Variación de longitud de onda del sensor FBG de compensación

λ0c = Longitud de onda de referencia del sensor FBG de compensación


17

• Si no se da esta condición, se debe utilizar una medida pura de temperatura. Para

ello se fija un sensor FBG por un punto situado medianamente lejos de la red de

Bragg de modo que éste quede al aire y libre de deformaciones mecánicas. De

este modo, el incremento de longitud de onda detectado en este sensor (Eq. 6)

corresponde al efecto que tiene la temperatura sobre él (dilatación térmica de la

fibra óptica y cambio en el índice de refracción de su núcleo).

�� "� ∗ �*+, + ��# ∗ �� (��. -)

ΔλT = Variación de longitud de onda del sensor FBG de medida de temperatura

λ0T = Longitud de onda de referencia del sensor FBG de medida de temperatura

αglass = Coeficiente de expansión térmica de la fibra óptica

Despejando la deformación mecánica de la Eq. 3 y habiendo sustituido el valor del

incremento de temperatura (ΔT) obtenido en la Eq. 6 llegamos a la siguiente

expresión:

� � 1� ∗ .�� − �� ∗ / � ∗ � ! + �� ∗ �*+, + ��01 (��. 2)

Equipos de medida

En la detección del pico reflejado puede ser utilizado un analizador óptico de espectros junto

con una fuente de luz de banda ancha que emita la señal lumínica. No obstante existen en la

actualidad multitud de dispositivos automatizados disponibles en el mercado. Mientras que

hace unos años eran equipos voluminosos, pesados, lentos y muy poco automatizados, el

constante desarrollo de esta tecnología ha permitido que hoy en día se cuente con sistemas

que, siendo capaces de medir a frecuencia de hasta 2 KHz, puedan ser embarcados para la


18

monitorización en vuelo por su bajo peso y pequeño tamaño. Algunos de estos equipos se

observan en la Figura 7.

(a) (b)

(c)

Figura 7. (a) sm130 de Micron Optics [www01], (b) FBG scan 804 de FBGS [www02], (c) DI410 de HBM [www03]

Se trata de dispositivos de campo dinámicos con cuatro canales a disposición. Los distintos

dispositivos de medición optoelectrónicos que comercializan estas compañías nombradas,

así como otro tanto de ellas, se diferencian principalmente en tres aspectos: láser de barrido

(estático o dinámico), número de canales y frecuencia de adquisición.

3.2 MONITORIZACION DE ESTADO ESTRUCTURAL

Actualmente, la mayor parte de las tareas de mantenimiento de estructuras o sistemas de

transporte se centra en la monitorización estructural. Sólo una pequeña parte debiera


19

corresponder a reparación pues en multitud de casos esta tarea resulta muy costosa o

incluso imposible de realizar.

Si se particulariza en el sector aeronáutico, la monitorización de aeronaves se realiza hoy en

día en casi todas las flotas en tierra, con sistemas muy costosos de ensayos no destructivos

(NDT), en intervalos prescritos y a tiempos fijos. Este mantenimiento se basa en condiciones

severas de vuelo pero no todos los aviones están sometidos siempre a estas cargas tan

severas. Es por ello que desde hace décadas se instalan en aeronaves sistemas de

monitorización estructural. A partir de los años 80 este desarrollo estuvo encaminado en

sensores extensométricos que miden las cargas en varios puntos claves del avión. De esta

manera se puede conocer el estado de fatiga propio de la aeronave adaptando el ciclo de

mantenimiento a sus necesidades. Aún así no son capaces de detectar daño existente en la

estructura.

Hoy en día, para la monitorización de cargas en aviones militares, se utilizan sensores

eléctricos tipo galgas extensométricas [ARM 1988]. Éstos han demostrado su buen

funcionamiento en las últimas décadas, pero han puesto también de manifiesto los

problemas que supone dicha monitorización mediante sensores eléctricos en ambientes

húmedos o con fuerte interacción electromagnética. Ejemplos de aplicación de galgas

extensométricas para la monitorización estructural se muestran en la Figura 8 con el avión

militar Harrier II y en la Figura 9 con el Eurofighter EF 2000.


20

Figura 8. SHM mediante galgas extensométricas

Figura 9. SHM en 16 puntos de medida con galgas extensométricas

La utilización de FBGS para monitorización estructural se encuentra aún en fase de estudio y

desarrollo. Se está acudiendo a esta tecnología por las múltiples ventajas que exhiben en su


21

uso en materiales compuestos, materiales que se presentan como el futuro de las nuevas

estructuras ya no sólo en el mundo aeronáutico, sino en multitud de sectores como pueden

ser el de la industria aeroespacial (vehículos reutilizables, módulo de rescate de la ISS), la

industria energética (aerogeneradores, plantas de potencia, transformadores), el sector

ferroviario (raíles), la ingeniería civil (minería del carbón, exploración de gas y petróleo) o la

ingeniería naval (barcos de altas prestaciones).

Existen diversos campos donde los sensores de fibra óptica están reemplazando a los

sistemas de medida basados en galgas extensométricas. Sin embargo, aún no existe ningún

caso en el cual se usen FBGS para la monitorización de deformaciones en vehículos

aeronáuticos en servicio. Actualmente su aplicabilidad se está comprobando a nivel de

ensayos en vuelo, como en el caso de los Airbus A340-600 en una estructura de material

compuesto, Figura 10.

Figura 10. SHM en fase de ensayos en vuelo

Los ensayos de campo demostraron un gran potencial para los sensores FBG, pero aún

quedan muchos puntos por estudiar, como entrar en detalle en su comportamiento cual


22

sensor y en el impacto que puede ocasionar en las propiedades del material huésped en

diferentes condiciones de vida operativa, hasta que su uso se haga generalizado en

estructuras de aviones comerciales.

3.3 ESTUDIOS REALIZADOS CON FBGS

A continuación se mencionan diferentes estudios que han surgido con el desarrollo de esta

nueva tecnología, pasando desde las aplicaciones básicas para los que los sensores de fibra

óptica han sido pensados (medición de deformaciones y temperatura) hasta otras con

objetivos ligeramente diferentes pero al alcance de las cualidades de estos sensores

(detección de gases en el ambiente, monitorización de la corrosión en aceros, etc.).

Estudios comparativos con sensores convencionales en vistas a demostrar la fiabilidad del

FBGS

Sin duda alguna el primer paso es demostrar que las medidas ofrecidas por sensores de fibra

óptica tienen un grado de fiabilidad equitativo al de sensores de extensometría

tradicionales.

Numerosos son los estudios que se han encontrado sobre esta temática, entre los que cabe

destacar los realizados por [MAL 2006]. Se realizan test mecánicos de tracción sobre una

serie de probetas extraídas de un panel del material carbono epoxi AS4/8552. Como

elementos de medida se emplean, aparte de un sensor FBG pegado sobre la superficie y otro

embebido en la probeta, una galga extensométrica y un extensómetro situado en la zona de

medida. El resultado para una de las probetas ensayadas se presenta en la Figura 11, donde

se puede comprobar una buena concordancia entre todos los valores, habiendo obtenido

para la carga última una diferencia de aproximadamente 0,1 % entre el sensor FBG


23

embebido y la galga extensométrica, y una diferencia en torno al 1 % con respecto al

extensómetro.

Figura 11. Carga vs Deformación en diferentes elementos de medida

Seguidamente se lleva a cabo una serie de ensayos de compresión a temperatura ambiente

sobre paneles rigidizados instrumentados con sensores FBG y galgas extensométricas. Los

resultados son en todo momento aceptables hasta que se produce el pandeo del

revestimiento que induce torsión y flexión en los larguerillos. Los sensores de Bragg

funcionan perfectamente durante todo el ensayo hasta que llegada la carga de rotura de la

estructura se produce el fallo, en la mayoría de los casos por el empalme entre la zona del

sensor y la propia fibra.

Un estudio similar a cargo del departamento de Ingeniería Aeroespacial del Instituto

Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea [CHA] concluye en los mismos resultados,

estando el panel instrumentado tal y como se observa en la Figura 12.


24

Figura 12. Configuración del panel

Influencia sobre la integridad estructural del material huésped

Es sabido que el diámetro de la fibra de carbono, principal elemento en materiales

compuestos, es del orden de 5-10 µm. Resulta por tanto preocupante la idea de introducir

un elemento con un diámetro que puede llegar a ser hasta veinte veces mayor como es el

caso de la fibra óptica. Es éste un capítulo crítico en el desarrollo de los sensores de fibra

óptica pensados para ser embebidos, y de ahí que se estén realizando numerosos estudios

con el objetivo de analizar la posible influencia de la fibra sobre el material huésped.

Nuevamente [MAL 2006] compara la resistencia mecánica de probetas estándar a tracción,

con probetas idénticas en las que se ha embebido fibra óptica. En parte de las probetas, se

embebe la fibra óptica en paralelo a la dirección de las fibras de refuerzo mientras que en

otras se hizo en dirección perpendicular a éstas. Se considera el primer modo el más

apropiado, en el caso de fibras unidireccionales, quedando la fibra óptica perfectamente

integrada en el panel. En el caso de tejido o cuando se cruza perpendicularmente con la fibra


25

óptica el laminado unidireccional, se forman bolsas de resina delante y detrás de la fibra,

Figura 13, que son causa de un deterioro en las propiedades mecánicas del material.

Figura 13. (a) f.o. a 0o, (b) f.o. a 90o

En la Figura 14 se presenta una comparación porcentual de los valores medios de resistencia

a tracción obtenidos. Las columnas de error muestran la desviación estándar de las

probetas.

Figura 14. Tabla de resultados


26

En el caso de laminados unidireccionales a 0o, con fibra óptica embebida a 0o respecto al

refuerzo, no se aprecia diferencias significativas. Con fibra óptica embebida a 90o se observa

a priori un hecho incoherente. La resistencia a tracción se incrementa un 8 % cuando es de

esperar un descenso notable de esta pues se trata del caso más desfavorable. La razón de

este incremento pudiera ser una influencia positiva de la fibra óptica en el mecanismo de

rotura de la probeta.

En el caso de las probetas a 90o, se observa una disminución del 11 % en la resistencia, pero

la desviación estándar alta en torno al 16 % de las probetas sin fibra óptica hace que no se

pueda establecer claramente una influencia real significativa.

Para las probetas a ±45o se advierte rápidamente que la fibra óptica no tiene influencia

ninguna pues los valores medios son casi idénticos teniendo una desviación estándar baja.

En las probetas multidireccionales se puede apreciar un leve aumento de resistencia pero los

resultados están prácticamente dentro del mismo rango de la desviación estándar de los

valores de resistencia.

En los ensayos a compresión se contemplan tres casos diferentes de probetas en las cuales

se embebe fibra óptica de distinta forma aunque siempre perpendicularmente a la dirección

de la fibra de refuerzo, Figura 15.


27

Figura 15. (a) “ribbon”, (b) f.o. individual, (c) 4 f.o. individuales

El caso (a), fibra óptica embebida en forma de “ribbon”, es el que presenta mayor caída de

resistencia, reduciendo su valor hasta la mitad lo cual deja entrever una clara influencia

negativa sobre las propiedades del material huésped. En los casos (b) y (c) se observa un

comportamiento similar, presentando en ambos casos una caída de resistencia en torno al

16 %.

Ensayos bajo cargas de impacto

Las estructuras de material compuesto presentan una gran desventaja. Aunque son capaces

de soportar bien las cargas de impacto por su alta capacidad para absorberlas, su resistencia

tras el golpe se ve considerablemente disminuida debiendo, en la mayoría de los casos, dar

por perdida la estructura. De ahí la vital importancia de detectar las cargas de impacto y

analizar el daño que ha sufrido la estructura.

Hoy en día, estas técnicas se realizan con galgas extensométricas y sensores piezoeléctricos.

Teniendo en cuenta las limitaciones que tienen estos sensores eléctricos en ambientes

(a) (b)

(c)


28

corrosivos o con fuerte radiación electromagnética, y dado que su integración en grandes

estructuras para la monitorización conlleva una compleja y extensa red de cableado,

aparecen en escena los sensores de fibra óptica tipo red de Bragg con el fin de superar estas

dificultades.

[HIR 2006] impacta un panel de carbono-epoxi con un sensor FBG y una galga

extensométrica pegados sobre la superficie en una zona cercana al impacto. Las medidas de

deformación recogidas se representan frente al tiempo en la Figura 16.

Figura 16. Tiempo vs Deformación. SG vs FBGS

Se observa una buena concordancia entre ambas medidas. La máxima deformación a

tracción para el sensor y la galga es de 204 y 208 µε, y el máximo en compresión de 99 y

97 µε, respectivamente.

Nótese el nivel de ruido de ambas señales. El ruido de fondo es mucho mayor en la galga

extensométrica que en el sensor FBG. Se observa en la señal de la galga, dos picos en valores

de tiempo de -0,014 y 0,14 s. Por otra parte, aparece repentinamente una gran fluctuación a


29

los 0,09 s solo en la galga. Estos ruidos considerables pueden ser debido a interferencia

electromagnética. Tomando por definición para la deformación mínima detectable la media

cuadrática de los valores de la señal grabados antes del impacto, se calcula que para la galga,

el mínimo detectable, es de 8,1 µε mientras que para el sensor FBG es de 1,2 µε.

Ensayos de durabilidad a fatiga y ciclos térmicos

Pensados para ser utilizados en la monitorización de estado estructural, los sensores de fibra

óptica deben tener una vida igual o superior a la de la estructura donde están integrados.

Está situación es aún más crítica en el caso de sensores embebidos dado que no existe la

opción de ser reparados o reemplazados. Es por ello de vital importancia realizar

simulaciones de ciclos de vida de estructuras con sensores de fibra óptica integrados para

comprobar la fiabilidad en la medida a lo largo de su vida operacional.

Este aspecto también se estudia en [MAL 2006] realizando ensayos de fatiga a bajo número

de ciclos y cargas de tracción relativamente altas, simulando condiciones extremas de

servicio. En estos ensayos se cargaron todas las probetas a cargas oscilantes de tracción: de

0 a 10, 0 a 20, 0 a 23, 0 a 24 kN con 200 ciclos por cada condición de carga, acumulándose

para cada probeta una cantidad total de 800 ciclos. A posteriori, se acometen ensayos a alto

número de ciclos (106 ciclos a unos 5 Hz), más representativos de las condiciones reales de

vuelo de una aeronave.

En todos los casos, los sensores de fibra óptica que no se han roto durante el manejo, han

sobrevivido al ciclo de carga, manteniéndose ilesas hasta la rotura de la probeta excepto en

un caso, en el que la rotura de la fibra óptica se produce ligeramente antes de la ruptura de

la probeta.

Adicionalmente, se estudia el comportamiento de los sensores FBG frente a ciclos térmicos,

con intervalos térmicos que simulan las condiciones de servicio de aeronaves. En total, se


30

realizan 9 ciclos térmicos como el observado en la Figura 17 con una duración de unas 8

horas en un rango de temperaturas entre -55 y 130 oC.

Figura 17. Ciclo de temperatura

Durante el ensayo se conectan tres sensores de fibra óptica por un extremo a un medidor de

potencia óptica y por el otro a una fuente de luz para monitorizar sus prestaciones. Se pone

de manifiesto una cierta influencia de la temperatura sobre las ganancias de las fibras

ópticas, aunque estas pérdidas están dentro de un margen tolerable, con cambios en las

ganancias ópticas del orden del 0,5 dB y 1,5 dB para dos de los sensores. El tercero no era

operativo durante los ensayos por rotura en el manejo.

Otras aplicaciones

Por último, se hará una breve reseña a distintas aplicaciones donde las capacidades de los

sensores de fibra óptica les permiten ser utilizados en diversos campos, tales como la

detección de hidrógeno en el aire o la monitorización de la corrosión de los aceros.


31

Detección de delaminación en materiales compuestos usando FBGS de pequeño diámetro

embebidos

Un nuevo desarrollo de FBGS de pequeño diámetro se ha aplicado en la detección de

delaminación en laminados CFRP [TAK 2002]. Los sensores, por su pequeño diámetro, son

fácilmente embebidos en la dirección paralela a las fibras de refuerzo tal y como se muestra

en la Figura 18.

Figura 18. Colocación del sensor FBG

El espectro reflejado fue medido para diferentes longitudes de delaminación producida en

un ensayo de flexión a cuatro puntos. La forma del espectro cambia sensiblemente tal como

incrementa la longitud de delaminación, Figura 19.


32

Figura 19. Espectro reflejado

Por otra parte, el espectro se calcula teóricamente para confirmar el espectro medido

experimentalmente. El resultado reproduce muy bien la magnitud medida. Por tanto, se

puede considerar el cociente entre intensidades de los picos que aparecen en el espectro,

Figura 20, como un indicador efectivo en la predicción de longitud de delaminación.

Figura 20. Cociente entre intensidades de los dos picos vs Longitud de delaminación


33

Aplicación de chirped FBGS en la localización de grietas en materiales compuestos

La diferencia fundamental entre estos sensores con los vistos anteriormente es el modo de

marcado. Mientras que los sensores habituales tienen un marcado uniforme, los sensores

“chirped” tienen un marcado que incrementa monótonamente a lo largo de la longitud del

grating como se observa en la Figura 21.

Figura 21. (a) FBG uniforme, (b) FBG “chirped”

Estos sensores han sido utilizados en la detección de grietas en láminas a 90o de un

compuesto cross-ply [OKA 2004]. El espectro reflejado fue medido tras la aplicación de

cargas a tracción. Como resultado, en el espectro se observan hundimientos

correspondientes a las localizaciones de las grietas transversales, Figura 22. Este cambio en

la forma del espectro fue confirmado por cálculos teóricos.


34

Figura 22. Localización de grietas

Así, se demuestra que la localización de las grietas puede ser identificada directamente

desde las posiciones de los hundimientos observados en el espectro reflejado.

Detección de hidrógeno en el aire mediante redes de sensores FBG

Ha sido desarrollado un sistema de sensores FBG multipunto capaz de detectar picos de

concentración de hidrógeno en el aire en intervalos de tiempo menores que unos pocos

segundos [CAU 2007]. La idea es distribuir por la zona una serie de sensores recubiertos con

una capa sensible de un cerámico (WO3) dopado con un metal noble (Pt).

La interacción de moléculas de hidrógeno con esta capa provoca una reacción exotérmica

que aumenta la temperatura alrededor del sensor según la siguiente reacción:

345 + 67 ↔ 347 + 674

347 + 1 2⁄ 47 ↔ 345

Por tanto el sensor H2 radica en medir el desplazamiento del pico de longitud de onda de

Bragg debido al cambio de temperatura.


35

Monitorización de la corrosión en aceros

Un sensor para medir la corrosión en acero se ha elaborado basándose en la tecnología de

los sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg [WEN 2011]. La sección donde reside la red

de Bragg es metalizada con una película de plata que servirá de conductor. Posteriormente

se recubre mediante un proceso de galvanizado con una capa aleada de Fe-C. La estructura

del sensor recubierto con Fe-C se muestra en la Figura 23.

Figura 23. Estructura de un FBGS recubierto con Fe-C

El sensor ha sido probado en distintos medios corrosivos. En ellos, la capa Fe-C incrementa

su volumen generando tensiones en la fibra. El sensor FBG experimenta por tanto un campo

de deformaciones observándose un cambio en el espectro reflejado. Se comprueba que este

hecho es un buen indicador para la detección de corrosión en los aceros.


36

4. PLAN DE ENSAYOS

Se presentarán a lo largo de este punto dos grandes bloques de ensayos: tracción y flexión,

introduciendo en primer lugar un listado de materiales utilizados. En el primero de estos

bloques se han utilizado diferentes equipos de medida para así ampliar la gama de

resultados a ser comparados. En solo uno de ellos ha sido necesaria una etapa previa de

conexionado y puesta a punto del equipo. Es el caso del interrogador óptico encargado de

adquirir y procesar los datos de los sensores FBG. Como equipos de referencia han sido

utilizados un sistema de medida de deformaciones por video correlación (ARAMIS) y un

equipo de extensometría para leer los datos procedentes de galgas extensométricas. En el

bloque de flexión solo se ha comparado los resultados ofrecidos por la fibra óptica con los de

galgas extensométricas.

En cada uno de los ensayos en los que ha sido utilizada la fibra óptica, se ha optado por

pegar los sensores FBG sobre la superficie. No obstante también se mostrará en el desarrollo

de este apartado el procedimiento llevado a cabo para embeber fibra óptica en un panel de

material compuesto.

4.1 MATERIALES

Probetas de aluminio

Se utilizan probetas de aluminio de dos tamaños distintos, una de ellas con un espesor

menor para los ensayos a flexión. En la Figura 24 se observan ambas probetas extraídas de

una pieza de aluminio, con una rigidez de 69,7 GPa. Las dimensiones de las probetas

utilizadas en ensayos de tracción y flexión son 159,86 x 40,35 x 10,13 mm3 y

180,6 x 19,7 x 4,05 mm3 respectivamente.


37

Figura 24. Probetas de (a) tracción, SHMT001; (b) flexión, SHMF001

Probetas CFRP

El material con el cual están fabricadas las probetas corresponde a un laminado de fibra de

carbono y resina epoxi HexPly 8552-AS4 cuya secuencia de apilamiento, mostrada en la

Figura 25, es [03,903]s. Ha sido obtenido mediante apilado manual estando cada una de las

capas realizadas a partir de prepregs unidireccionales.

Figura 25. Secuencia de apilamiento de probetas CFRP

(a) (b)


38

En la Tabla 1 se muestran las dimensiones correspondientes a las cuatro probetas distintas

utilizadas, Figura 26.

Probetas CFRP

Denominación Longitud

(mm)

Ancho

(mm)

Espesor

(mm)

Peso (g) Densidad

(g/cm3)

EVAT005 180,00 18,06 2,23 11,4265 1,5762

EVAT051 179,98 18,18 2,27 11,6186 1,5617

EVAT053 180,00 18,15 2,23 11,4706 1,5745

EVAT054 179,92 18,16 2,23 11,5287 1,5802

Tabla 1. Datos volumétricos probetas CFRP

Figura 26. Probetas CFRP


39

Las principales propiedades físicas y mecánicas de las láminas unidireccionales del material

son las que se describen a continuación, Tabla 2 y Tabla 3.

Propiedades Físicas

Densidad de fibra 1,79 g/cm3

Densidad de resina 1,30 g/cm3

Espesor nominal de una capa curada 0,184 mm

Volumen nominal de fibra 57,42 %

Densidad nominal del laminado 1,58 g/cm3

Tabla 2. Propiedades físicas del material HexPly 8552/AS4

Propiedades Mecánicas

Resistencia a tracción a 0° 2207 MPa

Resistencia a tracción a 90° 81 MPa

Módulo de tracción a 0° (E11) 141 GPa

Módulo de tracción a 90° (E22) 10 GPa

Resistencia a compresión a 0° 1531 MPa

Módulo de compresión a 0° 128 GPa

Resistencia al cizallamiento interlaminar (ILSS) 128 MPa

Tabla 3. Propiedades mecánicas del material HexPly 8552/AS4


40

Las propiedades de la resina se detallan en la Tabla 4.

Propiedades de la Resina

Color Amarillo

Densidad 1,301 g/cm3

Resistencia a tracción 121 MPa

Módulo de tracción 4670 MPa

Tabla 4. Propiedades de la resina

Prepreg de la serie MTM57/T700S

Prepreg de carbono-epoxi unidireccional proporcionado por la empresa RESINAS CASTRO,

con posibilidad de curado en horno y al vacío o en autoclave. En la Figura 27 se muestra una

imagen del laminado en cuestión.

Figura 27. Prepreg MTM57/T700S


41

Las características técnicas más representativas de esta serie se especifican en la Tabla 5.

Propiedades del prepreg

Densidad superficial de

carbono

300 g/m2 Condiciones de

curado al vacio

80 oC durante 12 h

100 oC durante 3 h

120 oC durante 1 h Densidad superficial de resina 162 g/m

2

Porcentaje de resina 35 % Tª conservación -18 oC

Ancho de lámina 400 mm Tiempo de vida 12 meses en frío

30 días a Tª ambiente Espesor una vez curado 0,301 mm

Tabla 5. Propiedades del prepreg

4.2 EQUIPAMIENTO

Interrogador óptico sm130

El interrogador óptico sm130, Figura 28, es un módulo de interrogación diseñado para

analizar la respuesta de sensores de fibra óptica ante diversas excitaciones. Emplea el núcleo

interrogador óptico x30, que incorpora un láser de barrido, lo cual lo capacita para una

amplia adquisición de datos procedentes de múltiples FBGS. El equipo incluye el software

Micron Optics ENLIGHT Sensing Analysing que proporciona numerosas herramientas para la

adquisición, computación y análisis de datos.


42

Figura 28. Interrogador óptico sm130

Las características técnicas del equipo se detallan en la Tabla 6.

Características Interrogador Óptico sm130

Nº de canales ópticos 4 Frecuencia de

barrido 1 KHz

Rango de longitud de onda

1510-1590 nm Rango dinámico 25 dB con ganancia

ajustable

Estabilidad de longitud de onda

2 pm promedio

5 pm máximo

Máxima FBG por canal

80

Tabla 6. Características técnicas del interrogador óptico sm130

Sensor FBG os1100

El sensor de fibra óptica tipo red de Bragg os1100 está diseñado para el uso en aplicaciones

sensoriales. Posee una red de Bragg centrada en dos metros de fibra recubierta con

poliimida. Este recubrimiento transfiere la deformación producida al centro del núcleo. Así

mismo soporta un amplio rango de temperaturas (ver Tabla 7).


43

Existen FBGS con uno o dos conectores FC/APC, habiéndose utilizado para cada uno de los

ensayos sensores con sólo un conector y libre al otro extremo. Una imagen del mismo se

puede ver en la Figura 29.

Figura 29. Sensor FBG os1100

Un resumen de especificaciones técnicas de este tipo de sensor se muestra en la Tabla 7.

Especificaciones FBGS os1100

Nº de sensores 1

Longitud de red de Bragg 10 mm

Límite de operatividad en deformaciones 5000 µε

Rango de operatividad en temperatura -40 a 120 o

C

Sensibilidad a deformación ≈ 1,2 pm/µε

Respuesta térmica ≈ 9,9 pm/oC

Tipo de recubrimiento Poliimida

Tabla 7. Propiedades físicas del sensor FBG os1100


44

Equipo de extensometría MGC Plus

El equipo de extensometría MGC Plus, desarrollado por la compañía HBM, es un sistema de

amplificación de medición capaz de recibir datos de diversas magnitudes gracias a la

aplicación de sus diversos módulos, Figura 30. Posee actualmente 7 amplificadores de 8

canales cada uno, aunque tiene capacidad para 16.

Figura 30. Equipo de extensometría MGC Plus

Las principales características técnicas del equipo se muestran en la Tabla 8.

Características Equipo de Extensometría MGC Plus

Nº de canales 7 amplificadores de 8

canales cada uno Ancho de banda 1 KHz

Rango de temp. de uso

-20…+60 oC

Voltaje de entrada ajustable

230 V/115 V

50 Hz/60 Hz

Posibilidades de conexión

USB, Ethernet y ranura

PCMCIA

Velocidad de recogida de datos

262144 datos/s

Tabla 8. Características técnicas del equipo de extensometría MGC Plus


45

Incorpora el software CATMANEASY-AP para los procesos de adquisición, visualización y

evaluación de datos de medición.

Por su alta capacidad de recepción de distintos dispositivos y por la versatilidad de su

software, ha sido el elegido no solo para recoger los datos de galgas extensométricas, sino

también para recibir la señal de fuerza aplicada en el ensayo de la máquina ZWICK así como

para la lectura de los datos procedentes del interrogador óptico sm130 de Micron Optics.

Galgas extensométricas LY63-3/350; RY103-3/350

Las galgas extensométricas utilizadas han sido desarrolladas por la compañía alemana HBM.

Disponen de una amplia gama de geometrías para distintas aplicaciones. El modelo LY63-

3/350 es un modelo de galga lineal con un solo grid de medida compensada para aluminio y

utilizado para análisis en tensión. El modelo RY103-3/350 se diferencia únicamente del

anterior en que dispone de tres grids de medida con orientación 0o, 45o, 90o (roseta). Ambos

se muestran en la Figura 31.

Figura 31. Galgas extensométricas (a) lineal, (b) roseta

(a) (b)


46

En la Tabla 9 se resumen las características que definen estos modelos.

Características técnicas de galgas extensométricas

Resistencia 350 Ω Material Constatan

Factor de galga 2,02 Canales de medida 1 ó 3 según el caso

Tabla 9. Características técnicas de galgas extensométricas

Sistema de medida de deformaciones por video correlación ARAMIS

ARAMIS es un sistema óptico de medida de deformaciones en tres dimensiones que

proporciona una representación gráfica de las medidas realizadas. Este equipo está

desarrollado por la compañía GOM.

El sistema está formado por dos cámaras CCD (que permiten la medida de las deformaciones

en 3D), dos lámparas de iluminación LED, un sensor con un controlador y un ordenador con

el software de control, Figura 32.

La principal ventaja de este sistema es que proporciona las deformaciones de toda la

superficie del componente a ensayo sin necesidad de contacto con la misma. Además, es

posible medir con el mismo sensor objetos de diferentes tamaños (desde 1 mm hasta

2000 mm) mostrando deformaciones comprendidas entre el 0,01 y el 100 %.

El sistema de video correlación ARAMIS puede ser empleado tanto en ensayos estáticos

como dinámicos.


47

Figura 32. Sistema de video correlación ARAMIS

La configuración del ensayo y el posterior procesado y análisis de resultados se realiza

mediante la aplicación software ARAMIS, cuya versión es la v6.1. En la Figura 33 se muestra

una imagen del entorno de trabajo del software.


48

Figura 33. Vista de la pantalla principal del software ARAMIS

Tras el procesado de las imágenes, ARAMIS presenta los resultados en un informe que es

posible configurar con los datos deseados. Existe una amplia variedad de magnitudes que

ARAMIS permite representar además de las deformaciones totales, tales como las

deformaciones en cada uno de los ejes, los desplazamientos, las tensiones, etc.

Adicionalmente, se pueden establecer secciones o puntos de interés en los cuales analizar la

evolución de la magnitud representada.


49

Máquina universal de ensayos Zwick

La máquina de ensayos empleada es una máquina electromecánica de 100 kN de la marca

ZWICK modelo BT1-FB100TN, Figura 34.

Figura 34. Máquina universal de ensayos Zwick de 100 kN

Las características técnicas de la máquina se presentan en la Tabla 10.


50

Características Máquina Universal de Ensayos ZWICK 100kN

Fuerza

Tracción/Compresión 100 kN

Velocidad del

Travesaño

0,0005 hasta

300 mm/min

Tamaño 1800x1070x600 mm3

Frecuencia Máxima

de Ensayo 0,5 Hz

Peso con Accesorios 680 Kg Rango Tª Uso 10° a 30 °C

Superficie de Apoyo 380 cm2 Rango Humedad 20 % a 90 %

Nivel de Ruido 71 dB Precisión velocidad

establecida 0,037 % de Vnom

Tabla 10. Características técnicas de la máquina universal de ensayos Zwick

Esta máquina permite realizar el control del ensayo en posición del travesaño, en carga y en

extensión del extensómetro siendo en todos los casos la velocidad a la que se ajusta el

ensayo independiente de la carga fijada. Dispone de diversos útiles de agarre para ensayos.

Los utilizados para el presente proyecto han sido el útil de tracción, Figura 35, y el de flexión

en tres puntos, Figura 36. El sistema de agarre del útil de tracción no es el adecuado para

realizar esfuerzos a compresión. La máquina ZWICK incorpora un útil de compresión (platos),

aunque no está diseñado para el tipo de probetas utilizadas en los ensayos.


51

Figura 35. Útil de tracción de la máquina ZWICK

Figura 36. Útil de flexión de la máquina ZWICK

El software empleado para gestionar los datos procedentes de la máquina de ensayos es el

TestXpert II, desarrollado por la compañía Zwick/Roell. Las funciones desempeñadas por el

software son configurar el ensayo mecánico, grabar los datos, y presentar los resultados del

test.


52

Al finalizar el ensayo los datos que han sido grabados durante la aplicación de la carga son

presentados por el software, como se muestra en la Figura 37, pudiendo ser exportados en

formato ASCII, PDF o Excel.

Figura 37. Software TestXpert II

Cámara climática o de altitud

Sistema de pruebas capaz de reproducir de forma controlada en el laboratorio, las

condiciones atmosféricas existentes a diversas altitudes y con ello poder determinar el

comportamiento de materiales bajo dichas condiciones, Figura 38. En concreto se pueden

regular la presión, la temperatura y la humedad tanto para la realización de ensayos de

altitud como para el acondicionamiento de materiales.

En lo que al proyecto presentado se refiere, el uso de la máquina se limita al curado del

material compuesto como se detallará en adelante.


53

Figura 38. Cámara climática de altitud

Las principales características técnicas se muestran en la Tabla 11.

Características Cámara Climática de Altitud

Rango de presión

Desde presión

atmosférica a 100 mbar

Velocidad de calentamiento

1,5 oC/min

Rango de Tª

-70…+100 oC

Velocidad de enfriamiento

1 oC/min

Volumen interno

1 m3

Velocidad de variación de presión

30,5 mbar/min

Rango de humedad

De 20 % a 95 % en rango de Tª entre 20 oC y 80

oC

Tabla 11. Características técnicas de la cámara climática de altitud


54

Centralización de equipos

Con el objetivo de no inducir pequeños errores de sincronización y de poder visualizar la

medida en tiempo real, se ha procurado desde un primer momento centralizar al máximo la

adquisición de magnitudes medidas por los diferentes equipos. Esto ha sido posible gracias a

la versatilidad del software catmanEasy-AP, software que incorpora el equipo de

extensometría MGC Plus. De esta manera se ha llegado a presentar en una misma pantalla

de ordenador, donde está instalado el software, los datos de fuerza procedentes del equipo

Zwick y los datos de deformaciones medidas con galgas extensométricas y con sensores FBG,

ambas tomadas con equipos de diferentes compañías. No ha sido posible en cambio,

conexionar con el software de Aramis, aunque al menos éste permite incluir la señal de

fuerza procedente del equipo Zwick. Un esquema del conexionado de los equipos se

muestra en la Figura 39.

Figura 39. Esquema del conexionado de los equipos


55

4.3 ENSAYOS

Tal y como se ha mencionado en la parte introductoria del plan de ensayos, se presentan dos

grandes bloques de ensayos mecánicos. Dentro de cada uno de ellos se diferencia a su vez,

entre qué dispositivos de medida se comparan los resultados. A modo de resumen, se

clasifican en la Tabla 12 la totalidad de los ensayos realizados durante la ejecución del

proyecto, asignando a cada uno de ellos una denominación con la cual serán referenciados

en el posterior apartado de resultados.

Tipología

de ensayo

Dispositivos

de medida Material Probeta Característica del Ensayo Denominación

TRACCIÓN

ARAMIS

vs

Galga Ext.

A vs SG

CFRP EVAT005 Serie 15, 20, 25, 30 kN T_AvsSG_EVAT005

CFRP EVAT054 Repetibilidad a 20 kN

(5 veces) T_AvsSG_EVAT054

FBG

vs

Galga Ext.

FBG vs SG

Aluminio SHMT001 FBG y 3 SGs T_FBGvsSG_SHMT001

CFRP EVAT051 FBG y SG enfrentadas T_FBGvsSG_EVAT051

CFRP EVAT053 FBG y SG misma cara T_FBGvsSG_EVAT053

CFRP EVAT054 FBG y 2 SGs misma cara T_FBGvsSG_EVAT054

CFRP EVAT054 Serie 3, 6, 9, 12, 15 kN T_FBGvsSG_EVAT054_S

FLEXIÓN FBG vs SG Aluminio SHMF001 Serie 60, 100, 140 N F_FBGvsSG_SHMF001

CFRP EVAT054 Serie 40, 50, 60 N F_FBGvsSG_EVAT054

Tabla 12. Tabla-Resumen ensayos realizados


56

En la denominación de los ensayos, la primera letra (T o F) representa la tipología del

ensayo. A continuación se señalan los dispositivos de medida entre los que se está

comparando. Por último, aparece la probeta utilizada. Al darse el caso de coincidencia de

denominación entre dos de ellos, se opta por añadir la letra “S” (T_FBGvsSG_EVAT054_S) al

final de uno, caracterizándolo como una serie de ensayos.

Instrumentado de probetas

Puesto que es éste un proceso previo común en todos los ensayos, se explican a

continuación los pasos seguidos en la preparación de las probetas para el pegado de los

instrumentos de medida, así como el propio pegado que será indistinto de la superficie de

aplicación (aluminio o CFRP).

Cuando se actúa sobre aluminio, existe un paso precedente que no debe cometerse sobre

probetas CFRP, el lijado de la superficie. Su objetivo es dejar ésta lo más lisa posible y libre

de ralladuras. El resto de operaciones es común para ambos materiales.

Se procede a limpiar la superficie con acetona. El siguiente paso es marcar en la probeta la

localización exacta de los sensores. Es importante tomar especial cuidado en esta operación

pues desviaciones en la orientación deseada provocarán errores posteriores en la medida de

deformaciones.

Una vez finalizada la preparación superficial se realiza el pegado sobre la superficie. Para ello

se ha utilizado un cianoacrilato de baja viscosidad (100 mPa/s) de la compañía Loctite, L401,

capaz de resistir temperaturas de hasta 120 oC. En el caso de la galga se procura que el

adhesivo quede extendido sobre la totalidad de su superficie. Con el sensor FBG, primero se

debe pegar un punto de la fibra situado a un lado de la red de Bragg para posteriormente,

aplicando una ligera tracción sobre ella, pegar un segundo punto situado al otro extremo del

sensor. Una vez haya secado en estos dos puntos, se extiende nuevo adhesivo sobre toda la


57

zona entre ellos, de manera que el sensor quede completamente adherido a la localización

donde se pretende medir las deformaciones.

Una vez se haya secado el adhesivo utilizado en el pegado de la galga extensométrica, se

procede a soldar sus patillas. Se trata de una soldadura básica con estaño en el que el

procedimiento se ayuda con un flux de la compañía JBC. Una vez se comprueba la correcta

lectura, se expande una capa de silicona sobre ella con el fin de proteger la unión soldada.

4.3.1 Ensayos mecánicos a tracción

Ensayo T_AvsSG_EVAT005

Preparación de probetas

El sistema de video correlación Aramis necesita de un proceso previo de pintado de la

superficie de la probeta a analizar. Primero se extiende sobre la superficie una capa de

pintura blanca mediante un espray-aerosol. Luego, para crear el contraste de puntos que

será detectado por Aramis, se impregna la superficie de una leve capa de grafito también a

modo de espray. Esta operación debe ser realizada en una cámara de pintado preparada

para ello. Es necesario proteger la zona de agarre de las mordazas con el objetivo de evitar

que la propia pintura pueda ocasionar deslizamientos relativos entre mordazas y probeta.

Para ello se ha empleado cinta de carrocero durante el pintado, ocupando 50 mm de los

extremos de la probeta, medida que se considera suficiente para el agarre de la misma. No

obstante, en este caso se produjo deslizamiento no deseado. Para solventar esta

problemática, se optó por adhesivar (usando el mismo cianoacrilato que en el pegado de las

galgas extensométricas) papel de lija en la zona de agarre.

Por la cara contraria se fija una galga extensométrica como se ha descrito en la introducción

de este apartado. El resultado se observa en la Figura 40, donde se tiene una visual de las

caras de la probeta denominada EVAT005.


58

Figura 40. EVAT005 (a) cara preparada para Aramis, (b) cara con SG

Ensayo

Con este ensayo se pretende comparar las deformaciones medidas por el sistema de video

correlación Aramis con el resultado ofrecido por las galgas extensométricas.

Se realiza una serie de ensayos a tracción en los que la carga máxima entre uno y otro se

aumenta de manera escalonada en intervalos de 5 kN sin llegar a valores que excedan de la

tensión de rotura aproximada para estas probetas. En todos ellos se desestiman los datos

recogidos en el proceso de descarga. Los parámetros de estos ensayos se recogen en la

Tabla 13, donde las tres últimas filas corresponden a parámetros propios de Aramis como el

tiempo de disparo, número de imágenes tomadas por segundo y cantidad de imágenes total.

(a) (b)


59

Parámetros de ensayo

Carga máxima 15 kN 20 kN 25 kN 30 kN

Tensión máxima 372,45 MPa 496,6 MPa 620,78 MPa 744,9 MPa

Precarga 150,8 N 320,55 N 313,59 N 347,71 N

Velocidad del ensayo 1 mm/min (control en desplazamiento)

Frecuencia de adquisición 50 Hz

Shutter time Aramis 147,469 ms

Frame rate Aramis 4,0 3,0 2,5 3,0

Images Aramis 650 554 456 650

Tabla 13. Parámetros ensayo T_AvsSG_EVAT005



La preparación de esta probeta sólo difiere al caso anterior en que en esta ocasión se fijan

dos galgas extensométricas en lugar de una. Se sitúan ambas equidistantes del eje

longitudinal central. Esta configuración es la indicada para los ensayos de flexión pues esta

misma probeta (EVAT054) se reutiliza posteriormente. En la Figura 41 se observa la probeta

una vez instrumentada. El sensor de fibra óptica visible fue inhabilitado para esta serie de

ensayos.


60

Figura 41. EVAT054 (a) cara preparada para Aramis, (b) cara con dos SG

Ensayo

El objetivo principal de este ensayo es analizar la repetibilidad del equipo de video

correlación mediante la comparación entre los resultados obtenidos con Aramis y los

obtenidos con galgas extensométricas.

En esta ocasión, se trata de un mismo ensayo repetido un número de cinco veces en el que

la misma probeta es traccionada hasta un nivel de carga aplicada de 20 kN, correspondiente

a una tensión máxima de 496,6 MPa. Las condiciones ambientales no varían entre un ensayo

y otro. Los parámetros utilizados en este ensayo se recogen en la Tabla 14.

(a) (b)


61


Carga máxima 20 kN Frecuencia de adquisición 50 Hz

Tensión máxima 496,6 MPa Shutter time Aramis 95,000 ms

Precarga 220 N Frame rate Aramis 8,0

Velocidad de ensayo 2 mm/min Images Aramis 663

Tabla 14. Parámetros ensayo T_AvsSG_EVAT054

Ensayo T_FBGvsSG_SHMT001


La probeta SHMT001 ha sido la utilizada en el test previo de comprobación de alineamiento

de mordazas (ver apartado 5: Puesta a punto), por tanto, está instrumentada tal y como

indica la norma ASTM D3039 con tres galgas extensométricas. Una de ellas se fija centrada

en una de las caras de la probeta. Al reverso, se colocan dos galgas distanciadas de los

bordes en un valor igual a 1/8 del ancho de la probeta. Adicionalmente, sobre esta misma

cara se adhiere un sensor FBG ocupando el eje central longitudinal de la superficie. El

instrumentado final se observa en la Figura 42.


62

Figura 42. SHMT001 (a) cara con SG (b) cara con FBGS y 2 SGs

Ensayo

El objetivo de este ensayo es el análisis comparativo entre las medidas de deformaciones

ofrecidas por el sensor de fibra óptica y las galgas extensométricas en su aplicación sobre

aluminio.

El punto de medida se sitúa en la zona de la red de Bragg, tomando como valor de

deformación correspondiente a las galgas extensométricas, el valor medio entre las dos

galgas situadas en la misma cara del sensor FBG.

La probeta es sometida a una carga de tracción a velocidad constante hasta un máximo de

35 kN (85,62 MPa) cercana a la equivalente tensión de límite elástico pero nunca

sobrepasándola. De esta forma se asegura el comportamiento elástico del material.

Posteriormente es descargada automáticamente por el controlador de la máquina de

ensayos. Los parámetros del ensayo se recogen en la Tabla 15.

(a) (b)


63


Carga máxima 35 kN

Tensión máxima 85,62 MPa

Precarga 133 N

Velocidad del ensayo 1 mm/min


Tabla 15. Parámetros ensayo T_FBGvsSG_SHMT001

Ensayo T_FBGvsSG_EVAT051


La probeta EVAT051 es la primera de fibra de carbono-epoxi instrumentada para comparar

sensores FBG y galgas extensométricas. Por facilidad en el pegado, se decide colocar un

sensor de fibra óptica por una de las caras mientras que por la opuesta se adhiere una sola

galga extensométrica lineal. En la Figura 43 y en la Figura 44 se observan ambas caras de la

probeta una vez fijada en el útil de tracción.


64

Figura 43. EVAT051 cara con SG

Figura 44. EVAT051 cara con FBGS

Ensayo

El objetivo de este ensayo vuelve a ser el análisis comparativo entre las medidas de

deformaciones ofrecidas por sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg y galgas

extensométricas, esta vez aplicados sobre CFRP.

Se realizan dos ensayos distintos con las dos posiciones de colocación en las mordazas

posibles. El objetivo de ello es dejar entrever si existiera, una posible desalineación en las

mordazas.


65

El ensayo consiste en traccionar la probeta de fibra de carbono hasta una carga máxima de

15 kN (363,47 MPa) manteniendo la velocidad de aplicación de carga constante. El hecho de

llegar hasta una tensión baja en comparación con la tensión de rotura del material, se debe

al límite de operatividad de la fibra óptica (5000 µε). Los parámetros para esta prueba se han

recogido en la Tabla 16.


Carga máxima 15 kN


Precarga 170 N



Tabla 16. Parámetros ensayo T_FBGvsSG_EVAT051



En la probeta EVAT053 se decide fijar sensor FBG y galga extensométrica por una misma

cara. La razón radica en la diferencia en los resultados obtenidos en el ensayo anterior

pensándose que ha podido ser debido a efectos de anisotropía del material. Se realiza la

operación simétricamente respecto al eje longitudinal de la probeta, Figura 45.


66

Figura 45. EVAT053

Ensayo

El ensayo nuevamente vuelve a ser de tracción a velocidad de carga constante hasta un valor

máximo que no provoque deformaciones en la fibra óptica superiores a su límite de

operatividad, igual a 5000 µε. Posteriormente la probeta es descargada de manera

automática por el controlador de la máquina de ensayos. Seguidamente se repite un

segundo ensayo en las mismas condiciones. Los parámetros de ensayo han sido recogidos en

la Tabla 17.


Carga máxima 15 kN


Precarga 175 N





67



La probeta EVAT054 se reutiliza para este nuevo ensayo en tracción. En apartados anteriores

ya se explicó su instrumentación. En esta ocasión solo será útil la cara donde están fijados

sensor FBG y ambas galgas extensométricas. En la Figura 46 se muestran los dispositivos de

medida una vez fijados y antes de proceder a proteger las galgas con silicona.

Figura 46. EVAT054

Ensayo

La configuración de esta probeta está diseñada para la serie de ensayos a flexión que se

muestran en apartados posteriores. No obstante, antes de proceder al cambio de útil en la

máquina Zwick, se decide repetir en dos ocasiones un ensayo de tracción con los parámetros

recogidos en la Tabla 18, para así disponer de una cantidad mayor de datos para el análisis

comparativo entre las medidas ofrecidas tanto por galgas extensométricas como por

sensores de fibra óptica tipo red de Bragg.


68


Carga máxima 15 kN


Precarga 173 N




Ensayo T_FBGvsSG_EVAT054_S


La probeta empleada es la EVAT054 presentada en la Figura 46.

Ensayo

Con este último ensayo perteneciente al bloque de ensayos mecánicos a tracción, se

pretende caracterizar el error relativo cometido por el sensor FBG respecto a la medida

ofrecida por las galgas extensométricas.

Para ello se han llevado a cabo un número total de cinco ensayos de tracción a diferente

carga. Los parámetros utilizados se han recogido en la Tabla 19. En ellos se han registrado el

error relativo cometido en deformaciones máximas con el objetivo de analizar la evolución

de éste conforme avanza la tensión aplicada.

En el primero de ellos se lleva la probeta EVAT054 a niveles de deformación similares a los

que se sometió a la probeta de aluminio (≈ 1000 µε). Con ello se pretende analizar si el error

visto en deformaciones máximas medidas por FBGS en su aplicación a material compuesto


69

CFRP se debe a que ambos materiales han sido sometidos en general a niveles de

deformación muy distantes.


Carga máxima 3 kN 6 kN 9 kN 12 kN 15 kN

Tensión máxima 74,08 MPa 148,16 MPa 222,24 MPa 296,32 MPa 370,4 MPa

Precarga 151 N 141 N 146 N 155 N 155 N


Frecuencia de adq. 50 Hz

Tabla 19. Parámetros ensayo T_ FBGvsSG_EVAT054_S

4.3.2 Ensayos mecánicos a flexión

Ensayo F_FBGvsSG_SHMF001


La situación de los elementos de medida sobre la probeta de aluminio SHMF001 se muestra

en detalle en la Figura 47. Se fijan dos galgas extensométricas en la zona central de la

probeta situadas a 1/8 de los bordes. El sensor FBG es pegado justo en el eje central

longitudinal de la misma procurando que no ocupe espacio en la zona de apoyo del útil de

flexión. A pesar de que ambos dispositivos no son útiles en la medición directa de la flecha

(magnitud característica en esta tipología de ensayo), se pretende conocer su

comportamiento bajo estas condiciones de carga.


70

Figura 47. SHMF001

La relación entre longitud de probeta y distancia entre apoyos se ajusta a lo expuesto en la

normativa ASTM con designación D 7264/D7264M-07. La dimensión longitudinal debe ser un

20 % mayor que la distancia entre apoyos. En este caso, para una longitud de probeta de

180 mm, la distancia entre el borde exterior y el apoyo debe ser de 18 mm.

En el posterior ensayo a flexión sobre una probeta CFRP será aplicado el mismo

procedimiento.

Ensayo

Para esta tipología de ensayos se utiliza un sistema de cargas a tres puntos. El útil de trabajo

se ha mostrado en la Figura 36.

El ensayo consiste en aplicar carga a velocidad constante con los parámetros de ensayos

observados en la Tabla 20, registrando a la vez la medida ofrecida por las dos galgas

extensométricas y por el sensor FBG con el software catmanEasy-AP. Estos archivos de datos


71

extraídos son tratados posteriormente con Matlab con el objetivo de comparar resultados

entre ambos métodos.


Carga máxima 60 N 100 N 140 N



Distancia entre apoyos 144 mm

Tabla 20. Parámetros ensayo F_FBGvsSG_SHMF001

El módulo de elasticidad a flexión para el caso pertinente (dos apoyos y aplicación de la

carga en punto central) puede ser obtenido a partir de la siguiente expresión:

: � ; ∗ <548 ∗ ? ∗ @ (�A. B)

Donde:

E = Módulo de elasticidad (GPa)

P = Carga aplicada (kN)

L = Distancia entre apoyos (mm)

δ = Deflexión máxima de la línea neutra en el punto central (mm)

I = b*h3/12; Momento de inercia (mm4)

b = Ancho de la probeta (mm)

h = Espesor de la probeta (mm)


72

Se aprecia en su cálculo que es necesario conocer la deflexión producida durante el ensayo,

que podría ser determinada con un transductor de desplazamiento (LDT) situado en la parte

inferior de la probeta o simplemente controlando el desplazamiento del puente móvil de la

máquina Zwick. Esta labor se escapa del objetivo principal para el cual se acometen estos

ensayos, análisis comparativo entre FBGS y galgas extensométricas. Es por ello que se

desestima el cálculo del módulo de Young a flexión, limitándose los posteriores resultados a

mostrar las deformaciones lineales de la cara sometida a tracción por sendos dispositivos de

medida.

Ensayo F_FBGvsSG_EVAT054


La probeta de fibra de carbono EVAT054 empleada en los ensayos de flexión ya ha sido

utilizada en ensayos mecánicos a tracción anteriores. Una imagen de su superficie con los

elementos de medida ya instalados se detalla en la Figura 46, acorde con lo especificado en

la norma ASTM D 7264/D7264M-07. El proceso de pegado de las galgas y del sensor FBG ha

sido explicado en la parte introductoria de este apartado.

Ensayo

La principal diferencia entre el test a flexión con uno u otro material ha sido la carga

aplicada, puede observarse en la Tabla 21, donde se recogen los parámetros de estos

ensayos. Las pautas seguidas durante su transcurso son las mismas vistas en el apartado

anterior.


73


Carga máxima 40 N 50 N 60 N



Distancia entre apoyos 144 mm

Tabla 21. Parámetros ensayo F_FBGvsSG_EVAT054

4.3.3 Embebido de sensores FBG durante la fabricación de un panel de material

compuesto

Por último, dentro del plan de ensayos de este documento, se explican los pasos llevados a

cabo para embeber fibra óptica dentro del proceso de fabricación de un panel de material

compuesto.

La idea es extraer probetas con y sin fibra óptica embebida en diferentes direcciones

respecto a la dirección de la fibra de refuerzo. Todas ellas se sitúan entre las dos capas

centrales. El objetivo es caracterizar el material en vistas a estudiar si los sensores de fibra

óptica pudieran afectar a la integridad estructural del material huésped.

No obstante, el resultado tras la fabricación no fue el esperado, Figura 48, pues la no

disponibilidad de autoclave impide la correcta aplicación de presión durante el curado del

material.


74

Figura 48. Resultado final del panel de material compuesto fabricado

El método utilizado para la fabricación es el de apilado manual a partir de laminados de

prepreg unidireccionales de la serie MTM57/T700S. Esta serie es la elegida en parte, por su

disponibilidad a ser curada sin necesidad de autoclave, pudiendo hacerlo simplemente

aplicando el vacío apropiado (teniendo en cuenta la carencia en las propiedades mecánicas

del laminado tras el curado).

Se decide realizar un panel de dimensiones 400 x 400 x 24 mm3 formado por 8 capas de

laminado unidireccional con secuencia de apilado (0o, 90o, 0o, 90o)s. Habiendo sacado el

material del congelador veinticuatro horas antes de su uso, los pasos en la fabricación son

los siguientes:

• Cortado de ocho láminas cuadradas de 400 x 400 mm2.

• Pegado de las dos primeras láminas (0o, 90o) aplicando sólo vacío en una bolsa

adecuada para el caso. Esta operación se realiza con la ayuda de una bomba

de vacío diseñada y fabricada para estos pequeños niveles de fabricación.

Para facilitar el posterior despegue entre láminas y bolsa se coloca una lámina


75

de teflón que actúa de separador. Así mismo también se añade una película

de un tejido esponjoso (breather) que absorbe la resina sobrante.

• Pegado de las dos siguientes capas (0o, 90o) utilizando el mismo

procedimiento.

• Colocación del sensor FBG y del resto de fibra óptica entre capas. Para la

correcta disposición se ayuda de una plantilla elaborada con anterioridad,

Figura 49, donde se puede visualizar el número y las distintas orientaciones de

la fibra óptica embebida.

Figura 49. Plantilla de colocación de la fibra óptica

La propia viscosidad de la resina aún sin curar es suficiente para fijar la fibra

óptica en el panel. La salida de ésta se realiza en mayor parte por el borde del

laminado. No se toman precauciones previas en la salida del laminado pues

no se pretende que, salvo en un caso, sea utilizada como sensor de

deformación. En la Figura 50 se muestra en detalle parte del panel con la fibra

óptica ya colocada. A su vez se opta en dos de ellas sacarlas por la superficie

del laminado con el mismo objetivo de estudiar la posible pérdida de


76

características mecánicas en el material huésped. En la Figura 51 se muestra la

salida por la cara del panel una vez apiladas las ocho capas.

Figura 50. Fibra óptica colocada en el panel con salida por los bordes del laminado

Figura 51. Salida de la fibra óptica por una cara del panel

• Apilado de las dos siguientes capas (90o, 0o) aplicando de nuevo vacío al

conjunto. En este paso se toma especial cuidado en la colocación de la quinta


77

lámina para no provocar un desplazamiento de las fibras ópticas ya colocadas.

Así mismo se perforan mínimamente para poder dar salida a la fibra óptica

por la superficie del panel.

• Apilado de las dos últimas capas (90o, 0o) siguiendo el mismo procedimiento

expuesto en el punto anterior. El resultado antes de realizar el ciclo de curado

se presenta en la Figura 52.

Figura 52. Panel antes de realizar el ciclo de curado

• Una vez apiladas las ocho capas de las que constará el panel de material

compuesto carbono-epoxi, se procede a prepararlo para ser introducido en la

cámara de altitud donde se realiza el ciclo de curado, Figura 53. Así mismo, se

aplica una presión constante durante todo el ensayo de 0,28 MPa mediante

dos placas con rigidizadores diseñadas para el caso. El apriete correcto entre

ellas se efectúa con ayuda de la máquina Zwick, manteniendo dicha presión a

través de tornillos sobre los rigidizadores, Figura 54.


78

Figura 53. Panel en bolsa de vacío antes de aplicar presión

Figura 54. Aplicación de presión sobre el panel

• El conjunto se introduce en la cámara de altitud para realizar el ciclo de

curado, Figura 55. Este consta de tres partes:

o Calentamiento a velocidad constante igual a 1 oC/min hasta una

temperatura de 80 oC.

o Mantenimiento a esta temperatura durante 12 h.

Válvula de vacío

Rigidizadores


79

o Enfriamiento a velocidad constante igual a 3 oC/min hasta

temperatura ambiente.

Figura 55. Conjunto dentro de la cámara de altitud


80

5. PUESTA A PUNTO

Antes de comenzar con la exposición y discusión de los resultados obtenidos en el plan de

ensayos descrito, se hace referencia a distintos estudios previos llevados a cabo en

diferentes equipos de medida: estudio de optimización para el software Aramis, estudio de

excentricidad de las mordazas de la máquina Zwick y ensayo preliminar para la puesta a

punto del interrogador óptico sm130.

5.1 ESTUDIO DE OPTIMIZACIÓN PARA ARAMIS

El análisis de deformación mediante el sistema de video correlación Aramis se efectúa sobre

una zona previamente definida, faceta, en verde en la Figura 56.

Figura 56. Faceta definida

La magnitud deseada es evaluada, en este proyecto, en una serie de puntos a definir (stage

points) distribuidos sobre la faceta, Figura 57.


81

Figura 57. Definición de puntos de medición “stage points”

La deformación sufrida en la probeta es calculada como el valor medio entre las

deformaciones medidas en cada stage point. Un número mayor de puntos definidos permite

obtener resultados más precisos.

Este proceso trae consigo una contraindicación, el incremento del tiempo de procesado de

datos por el software Aramis. Debido a ello se decide emprender un estudio de optimización

de tiempos con el objetivo de averiguar cuál es el número mínimo de stage points a definir

sin pérdida de precisión en los resultados, tomando como parámetro de estudio la

convergencia del módulo elástico de de la probeta EVAT005 (material compuesto de fibra de

carbono).

La probeta es sometida a un ensayo de tracción aplicando una carga máxima de 15 kN a

velocidad constante e igual a 1 mm/min. Se hace variar la toma de puntos de medición, 2, 5,

10, 15, 20, 25 y hasta 30 puntos. En la Figura 58 se presenta tensión aplicada frente a

deformación para 20 puntos de definición.


82

Figura 58. Optimización Aramis 20 puntos

Se percibe una fuerte dispersión en los resultados obtenidos. Dos métodos diferentes han

sido utilizados para extraer la curva σ vs ε: recta de regresión e interpolación por splines,

mostrándose eficaz solo el primero de ellos, dada la alta linealidad del comportamiento del

material compuesto, Figura 59, habiéndose obtenido para el caso de 20 puntos una recta

con un coeficiente de correlación igual a 0,9928.


83

Figura 59. Ajuste por regresión

El coeficiente de correlación obtenido para cada toma de puntos dentro de este ensayo se

representa en la Figura 60.

Figura 60. Coeficiente de correlación para diferentes tomas de puntos de medida

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

0 5 10 15 20 25 30 35

Co

efi

cie

nte

de

co

rre

laci

ón

Nº de stage points


84

Se aprecia que conforme aumenta la toma de puntos de definición, más preciso se muestra

el ajuste por regresión, situándose en valores superiores a 0,99 a partir de veinte stage

points.

La pendiente de la recta obtenida representa el módulo elástico del material. Su valor ha

sido obtenido para los distintos números de puntos de medida y representado en la Figura

61.

Figura 61. Convergencia del módulo elástico

Se observa en el gráfico valores dispares de E con pocos puntos de definición. A partir de 20

puntos empieza a converger a 64 GPa aproximadamente. El valor del módulo elástico

obtenido a partir de mediciones con galgas extensométricas es de 66,5 GPa, situándose el

error cometido dentro del margen que nos ofrece el software Aramis como se observará en

comparaciones posteriores. Por tanto, 20 puntos de definición son considerados suficientes

para obtener mediciones aceptables en futuros ensayos.

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

0 5 10 15 20 25 30 35

E (G

Pa)

Nº de stage points


85

5.2 ESTUDIO DE EXCENTRICIDAD DE LAS MORDAZAS DE LA MÁQUINA ZWICK

Previo a cometer ensayos mecánicos con la máquina universal Zwick, es necesario

cerciorarse del correcto alineamiento entre mordazas de su útil de tracción, aspecto

recogido en la norma ASTM D3039.

Para ello se ha empleado la probeta de aluminio designada con el código SHMT001,

debidamente instrumentada para la comprobación (ver Preparación de probetas en Ensayo

T_FBGvsSG_SHMT001).

La probeta es sometida a tracción lo suficiente para producir deformaciones superiores a

1000 µε en la zona de medida. Si no se sobrepasa este límite la prueba no se considera

representativa.

En la comprobación, se calculan los momentos de flexión en ejes contenidos en la sección

transversal de la probeta con las siguientes expresiones:

CD � ,EF − 5 ,EF ∗ 100 (�A. H)

CI � 4 3⁄ ∗ ( 7 − K) ,EF ∗ 100 (�A. ��)

Donde:

By = Momento flector sobre el eje y (perpendicular al canto de la probeta) (%)

Bz = Momento flector sobre el eje z (perpendicular a la cara de la probeta) (%)

ε1, ε2 y ε3 = Deformación longitudinal medidas por las galgas 1, 2 y 3 (ver Figura 42)

respectivamente (µε)

εave = ((ε1 + ε2)/2 + ε3)/2

Estos valores deben ser menores del 5 % en valor absoluto. Un sistema que presente valores

superiores debe ser reajustado o modificado.


86

Esta prueba se ha realizado en dos ocasiones durante el desarrollo de los ensayos, habiendo

sido ajustado el sistema en ambas ocasiones hasta obtener valores admisibles según la

norma vigente, Tabla 22.

Deformación y Momentos resultantes

Test ε1 ε2 ε3 εave By

1 1160,6 µε 1234,5 µε 1211,9 µε 1204,7 µε -0,59 %

2 1301,4 µε 1069,7 µε 1221,7 µε 1203,6 µε -1,5 %

Tabla 22. Resultados tras calibración

El resultado para Bz depende fuertemente del factor humano (colocación manual del

espécimen en el útil, correcta alineación en el pegado de galgas,…). Esto lo hace tomar

valores diferentes en cada ensayo realizado. Dado que este test evalúa exclusivamente el

factor mecánico, solo se ha recogido en la tabla de resultados el momento flector producido

en el eje y.

5.3 ENSAYO PRELIMINAR PARA LA PUESTA A PUNTO DEL INTERROGADOR ÓPTICO

sm130

Este ensayo se encuadra dentro de la fase de puesta a punto del equipo. Representa una

primera prueba de medición con el sensor de fibra óptica. Se utiliza en este caso el software

propio del interrogador óptico sm130, ENLIGHT Sensing Analysing. Por otro lado, se emplea

el equipo de extensometría MGC Plus para leer los datos procedentes de la galga

extensométrica. Con el fin de obtener un vector de tiempos lo más parecido posible, ya que

ambos equipos aún no habían sido sincronizados, se opta por configurarlos con la misma


87

frecuencia de adquisición de datos, 50 Hz. Así mismo, cada uno de ellos es ejecutado en el

mismo instante de tiempo. Ambos archivos de datos se procesan con Matlab para visualizar

los resultados.

La probeta empleada no ha sido catalogada anteriormente. Se trata de un espécimen del

mismo aluminio que el utilizado en ensayos de tracción y flexión. En esta ocasión se opta por

adherir un sensor FBG por una de las caras de las probetas mientras que por la contraria se

fija una galga extensométrica roseta, Figura 62.

Figura 62. Probeta de aluminio para ensayo preliminar (a) FBGS (b) RSG

El ensayo en sí consiste en traccionar la probeta mediante la máquina de ensayos Zwick

hasta una carga (35 kN) inferior pero cercana a la equivalente tensión de límite elástico

(110 - 170 MPa) pero nunca sobrepasándola (de esta forma se asegura el comportamiento

elástico del material). Una vez alcanzada, se mantiene durante unos instantes de tiempo

hasta finalizar la recogida de datos.

En la Figura 63 se muestran los resultados obtenidos para el primer ensayo en el que se

compara la tecnología basada en sensores de fibra óptica frente a sistemas de medida

(a) (b)


88

tradicionales. Las deformaciones máximas obtenidas han sido 1215,26 µε en el caso de la

galga roseta y 1208,47 µε para el sensor FBG. Se comprueba que la desviación entre las

medidas ofrecidas por galga extensométrica y sensor FBG, tomando como referencia la galga

extensométrica, es inferior al 1% en su punto de deformación máxima. Este comportamiento

ha sido análogo durante todo el ensayo.

Figura 63. Ensayo preliminar puesta a punto interrogador óptico sm130

Se observa un pequeño desajuste al inicio del ensayo. Tras el análisis visto en el apartado 5.2

se comprueba que es producido por un desalineamiento entre los útiles de tracción del

equipo Zwick, que introduce una ligera flexión en la probeta haciendo que una cara se

encuentre en tracción al inicio del ensayo mientras que la otra esté en compresión.


89

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el presente capítulo se muestran los resultados extraídos de la colección de ensayos

realizados durante la ejecución de este proyecto. Se clasifican en tres bloques: ensayos

mecánicos a tracción, a flexión y curado del material compuesto. Cada test será identificado

por su denominación asignada (ver Tabla 12).

6.1 ENSAYOS MECÁNICOS A TRACCIÓN


Tras el estudio de optimización realizado para el software Aramis, se decide emplear veinte

puntos de definición para esta serie de ensayos. En la Figura 64 se muestra la situación de

estos puntos y el estado de deformaciones en el instante de carga máxima aplicada.

Figura 64. Estado de deformaciones T_AvsSG_EVAT005


90

Debido a la fuerte dispersión que introduce Aramis en sus resultados, se desestima la

deformación máxima como parámetro de estudio. Así, la discusión de los resultados se

centra exclusivamente en el estudio del módulo elástico. La expresión necesaria para su

cálculo se indica en la norma ASTM D3039 para ensayos mecánicos a tracción:

: � �L� (�A. ��)

Donde:

E = Módulo de elasticidad a tracción (GPa)

Δσ = Diferencia de tensión aplicada entre dos puntos de deformación correspondientes a

1000 y 3000 µε (MPa)

Δε = Diferencia de deformaciones entre dichos puntos (normalmente 0,002 ε)

Anteriormente se ha comprobado como el ajuste por regresión representa muy

aceptablemente la curva tensión vs deformación. En la Tabla 23 se muestran los parámetros

de regresión en cada uno de los cuatro ensayos realizados junto con el valor del módulo de

Young ofrecido por Aramis y el obtenido de la lectura de la galga extensométrica. Así mismo

se calcula el error relativo cometido por Aramis frente a la galga extensométrica con la

siguiente expresión:

M � N − OP OP ∗ 100 (�A. ��)

Donde:

ϵ = Error relativo (%)

εA = Deformación medida por Aramis

εSG = Deformación medida por galga extensométrica


91

Resultados Módulo de Young

Carga máxima 15 kN 20 kN

Dispositivo SG Aramis SG Aramis

Coeficiente correlación 0,9958 0,9971

E11 66,41 GPa 67,45 GPa 66,46 GPa 68,14 GPa

Error relativo -- 1,38 % -- 2,42 %

Carga máxima 25 kN 30 kN

Dispositivo SG Aramis SG Aramis

Parámetro de regresión 0,9989 0,9989

E11 66,49 GPa 66,86 GPa 66,76 GPa 66,37 GPa

Error relativo -- 0,49 % -- -0,24 %

Tabla 23. Resultados T_AvsSG_EVAT005

Se aprecia en la tabla que el error cometido por el sistema de video correlación para el

cálculo del módulo elástico no excede en ningún caso el 2,5 %, resultado muy aproximado

teniendo en cuenta la dispersión vista anteriormente. No sucede lo mismo si se toma como

parámetro de estudio la deformación máxima. En este caso se cometen errores superiores al

5 %.

Finalmente, se presentan en la Figura 65 y en la Figura 66 las curvas tensión vs deformación

obtenidas en los casos de carga aplicada igual a 15 kN y 30 kN respectivamente.


92

Figura 65. Tensión vs Deformación T_AvsSG_EVAT005_15 kN

Figura 66. Tensión vs Deformación T_AvsSG_EVAT005_30 kN


93

Se aprecia en sendos casos el comportamiento lineal de la fibra de carbono. En la primera de

ellas, ambas curvas prácticamente se superponen. La segunda en cambio no muestra tal

exactitud. Sin embargo, el error relativo cometido en este es menor. Este hecho se entiende

observando detenidamente el rango donde se evalúa el módulo elástico (entre 1000 y

3000 µε). Puede observarse que la pendiente de las rectas en este tramo es casi idéntica.


Con el fin de disminuir la fuerte dispersión de datos ofrecida por Aramis, se opta en esta

serie de ensayos tomar treinta puntos de definición, de manera que la superficie de medida

quede mejor cubierta. En la Figura 67 se observa la distribución de dichos puntos en una

imagen correspondiente al estado de deformaciones en el instante de máxima carga.

A pesar de ello la problemática sigue existiendo, como puede verse en la Figura 68, donde se

representan los datos experimentales de tensión y deformación extraídos del archivo de

Aramis junto a su ajuste por regresión.

Figura 67. Estado de deformaciones T_AvsSG_EVAT054


94

Figura 68. Dispersión en los resultados

El ajuste por regresión sigue mostrándose eficaz en cada ensayo, tomando valores muy

cercanos a la unidad, Figura 69.

Figura 69. Coeficiente de correlación T_AvsSG_EVAT054

0.994

0.995

0.996

0.997

0.998

0.999

1

1 2 3 4 5

r

Ensayo

Coeficiente de correlación


95

Finalmente se presentan los resultados obtenidos en dos de esta serie de cinco ensayos,

todos ellos realizados en las mismas condiciones, Figura 70 y Figura 71.

Figura 70. Tensión vs Deformación T_AvsSG_EVAT054 (2)

Figura 71. Tensión vs Deformación T_AvsSG_EVAT054 (3)


96

Se observa en general una buena concordancia en los resultados obtenidos. Los datos

correspondientes a la descarga automática por el controlador de la máquina Zwick han sido

eliminados.

Nuevamente, las deformaciones máximas resultantes de ambos sistemas de medida se

muestran muy dispares, situándose el error relativo en alguno de los ensayos incluso por

encima del 10 %. Por este motivo, solo se presentan en la Tabla 24 el valor del módulo

elástico obtenido en cada ensayo junto con el error relativo cometido en la medida con

Aramis frente a la tomada como referencia (galga extensométrica).

Resultados del Módulo de Young

Nº de ensayo 1 2 3

Eq. de medida SG Aramis SG Aramis SG Aramis

E11 71,16 GPa 67,59 GPa 69,86 GPa 70,37 GPa 71,2 GPa 71,68 GPa

Error relativo -- -5,02 % -- 0,73 % -- 0,67 %

Nº de ensayo 4 5

Eq. de medida SG Aramis SG Aramis

E11 71,2 GPa 70 GPa 71,2 GPa 67,55 GPa

Error relativo -- -1,69 % -- -5,12 %

Tabla 24. Resultados T_AvsSG_EVAT054

Atendiendo a la tabla, se comprueba la fiabilidad en la medida de las galgas

extensométricas, que salvo en el segundo ensayo siempre resulta un valor del módulo de

Young en torno a 71,2 GPa. No se muestra ni mucho menos igual de preciso el resultado


97

ofrecido por el sistema de video correlación, llegando a darse un error del 5 % en dos de los

ensayos realizados. El valor medio del modulo elástico ofrecido por Aramis resulta en

69,44 GPa, representando un error del 2,5 % frente a la magnitud real y situándose el valor

de la desviación estándar en 1,82 GPa.

Ensayo T_FBGvsSG_SHMT001

Es esta la primera de las pruebas mecánicas a tracción en las que se comparan las medidas

tomadas por un sensor de fibra óptica tipo redes de Bragg con galgas extensométricas una

vez llevado a cabo el centralizado de los respectivos equipos de medida.

En la medida de deformaciones con sensores FBG se necesita interpretar la longitud de onda

medida por el interrogador óptico. Se ha visto en el estado del arte el fundamento físico en

el que se basa esta tecnología, que permite obtener directamente deformaciones mediante

la siguiente expresión:

� 10R ∗ � S⁄TU (�A. �$)

Donde:

ε = Deformación (µε)

Δλ = λ - λB Incremento de longitud onda (nm)

λB = Longitud de onda de Bragg (nm)

Fg = Factor del sensor FBG (ε-1)

La longitud de onda de Bragg y el factor denominado Fg son magnitudes exclusivas de cada

sensor FBG utilizado y especificadas por el fabricante, aunque no directamente en el

segundo caso. Los sensores FBG poseen una sensibilidad a deformación que suele tener un

valor de 1,2 pm/def. El cálculo de Fg pasa por dividir esta magnitud entre la longitud de onda


98

de Bragg, comprendida entre 1510-1590 nm, resultando un valor cercano a 0,78 ε-1. De

hecho este valor es asumido como tal en el caso de desconocimiento de datos de

procedencia del sensor FBG.

En la Figura 72 se representan en una misma gráfica las curvas σ vs ε obtenidas por los

diferentes dispositivos de medida. Con el nombre de SGM se identifica el valor medio por las

galgas 1 y 2 (ver Figura 42) y calculado con la siguiente expresión:

VWX � VW1 + VW22

Figura 72. Tensión vs Deformación T_FBGvsSG_SHMT001

El resultado ofrecido por el sensor FBG pegado sobre una superficie de aluminio se muestra

casi inmejorable. Se puede apreciar en la gráfica, observando la casi superposición de las

rectas SGM (azul) y SG3 (verde), el correcto alineamiento entre los elementos de sujeción de


99

la probeta. Como es tendencia en los ensayos expuestos anteriormente, se desestiman los

valores correspondientes a la descarga.

En base a la norma ASTM D3039 se procede al cálculo del módulo elástico del material.

Valores típicos de aleaciones comunes de aluminio se sitúan como es sabido en torno a

70 GPa. En la Tabla 25 se comparan los resultados obtenidos por el sensor FBG y por el

compendio SGM y se calcula el error cometido por el primero.

Resultados en deformaciones y Módulo de Young

Dispositivo SGM FBG

Deformación máxima 1201,4 µε 1216,36 µε

Error relativo -- 1,24 %

Módulo de Young 70,02 GPa 69,33 GPa

Error relativo -- -0,98 %

Tabla 25. Resultados T_FBGvsSG_SHMT001

Efectivamente, se obtienen valores para el módulo de Young conforme se esperaba tanto

para uno como para otro medio de medida. En el cálculo del módulo elástico el error

cometido por el sensor de fibra óptica se encuentra en torno al 1 %. Igualmente, el máximo

valor alcanzado por las deformaciones para un estado tensional que sobrepasa los 80 MPa

es muy cercano en ambos dispositivos, cometiéndose un error del 1,24 %. Se observará más

adelante que este buen comportamiento no se da cuando el material sobre el que se actúa

es un compuesto de fibra de carbono-epoxi.


100


Indistintamente del material sobre el que sea adherido el sensor FBG, la expresión utilizada

para medir deformación a partir del incremento de longitud de onda percibido por el

interrogador óptico es la misma. Así, la expresión usada en sucesivos ensayos, en los que se

actúa sobre probetas CFRP, es idéntica a la empleada en probetas de aluminio, Eq. 13. Si se

observa dicha ecuación, ninguno de sus términos depende del material de estudio.

En la Figura 73 se muestra como varía la longitud de onda reflejada durante el transcurso del

ensayo. Se confirma observando la gráfica obtenida la dependencia lineal del incremento de

longitud de onda con respecto a la deformación producida.

Figura 73. Longitud de onda reflejada vs Tiempo T_FBGvsSG_EVAT051

Se realizan dos ensayos con la configuración de la probeta EVAT051, el primero de ellos

situando la cara con el sensor de fibra óptica por delante (ver Figura 44), y el segundo en la


101

situación inversa (ver Figura 43), es decir colocando la cara opuesta por delante. Se decide

superponer los resultados en una misma gráfica para así visualizar de una forma más clara la

no dependencia de las medidas con la colocación de la probeta, quedando demostrado así el

no desalineamiento entre las mordazas del útil de tracción.

En la Figura 74 se presenta la tensión aplicada en el ensayo frente a las deformaciones

obtenidas por los distintos dispositivos en uno y otro ensayo. La asignación “1” hace

referencia al ensayo en el que el sensor FBG se sitúa de frente mientras que la asignación “2”

representa la colocación inversa.

Figura 74. Tensión vs Deformación T_FBGvsSG_EVAT051

Efectivamente, los resultados obtenidos son idénticos independientemente de la situación

de la probeta en el útil de tracción.

Empieza a observarse una tendencia común en el empleo de sensores de fibra óptica sobre

fibra de carbono. Mientras que sobre aluminio no se apreciaban diferencias significativas en


102

la medida, en fibra de carbono se observará, en cada uno de los ensayos mostrados en

posteriores apartados, un error relativo frente a la medida ofrecida por la galga

extensométrica en torno al 5-6 % tanto en las deformaciones máximas obtenidas como en el

cálculo del módulo de Young.

En la Figura 74 se presentan los resultados obtenidos para este ensayo concreto.


Colocación Fibra por delante Fibra por detrás

Dispositivo SG FBG SG FBG

Def. máxima 5017,43 µε 5341,39 µε 5006,8 µε 5321,94 µε

Error relativo -- 6,46 % -- 6,29 %

E11 71,73 GPa 67,36 GPa 71,79 GPa 67,46 GPa

Error relativo -- -6,1 % -- -6,03 %

Tabla 26. Resultados T_FBGvsSG_EVAT051

En ambos casos, el sensor de fibra óptica tipo redes de Bragg mide alrededor de 300 µε por

encima de lo que mide la galga extensométrica cuando se ha sometido a la probeta a una

carga que no supone ni siquiera la mitad de la carga de rotura del material. El motivo por el

que se detiene el ensayo para un nivel de 5000 µε alcanzadas es el límite de operatividad del

sensor FBG utilizado. En ese momento, el error relativo cometido alcanza valores superiores

al 6 %. Igualmente, el módulo elástico calculado según se especifica en la norma ASTM

D3039 alcanza valores inferiores para el sensor de fibra óptica, cometiéndose un error de

orden similar.


103


Con la configuración del instrumentado de la probeta EVAT053 se pretende corregir el error

relativo cometido por la medida del sensor FBG en el ensayo inmediatamente anterior, pues

se piensa que pudiera deberse a la propia anisotropía del material. No obstante se desmonta

esta teoría al observar la Figura 75, donde se representa la tensión aplicada frente a la

deformación medida por los dispositivos. En ella se aprecia la misma tendencia vista

anteriormente.

Figura 75. Tensión vs Deformación T_FBGvsSG_EVAT053 (1)

En la Figura 76 se representa la misma gráfica obtenida de un segundo ensayo llevado a cabo

en las mismas condiciones que el primero.


104


Ambos dispositivos de medida representan con exactitud el comportamiento lineal del

compuesto CFRP en el régimen de carga. Sin embargo, el sensor FBG mide deformaciones,

durante la totalidad del ensayo, relativamente superiores a la galga extensométrica. Los

datos correspondientes a la descarga han sido eliminados durante el procesado de datos con

el software Matlab.

En la Tabla 27 se resumen los resultados obtenidos en sendos ensayos, mostrándose los

valores de módulo elástico y deformación máxima definitivos, así como el error relativo

cometido.


105


Ensayo 1 2


Def. máxima 5195 µε 5573,15 µε 5199,02 µε 5542,43 µε

Error relativo -- 7,28 % -- 6,6 %

E11 69,98 GPa 65,24 GPa 69,99 GPa 65,52 GPa

Error relativo -- -6,77 % -- -6,4 %


Habiendo llegado aproximadamente al mismo estado tensional que en el ensayo sobre la

probeta EVAT051 (con galga y sensor FBG en caras enfrentadas) se vuelven a producir

errores del mismo orden. Las deformaciones máximas que mide el sensor FBG son

aproximadamente 5550 µε mientras que la galga extensométrica mide del orden de

5200 µε. El módulo de Young determinado por la galga extensométrica es de 70 GPa

quedándose el valor medido con el sensor de fibra óptica por debajo, con un error cercano al

7 %.

A la vista de los resultados parece indicar que el problema no radica en la situación de los

dispositivos de medida sobre la probeta, y por consiguiente, en efectos de anisotropía del

material.


Se recuerda que la probeta EVAT054 está instrumentada con dos galgas extensométricas

equidistantes de un sensor FBG localizado en la línea central longitudinal de una de las


106

superficies. De este modo, se puede medir exactamente sobre un mismo punto con ambos

dispositivos de medida calculando la deformación media entre las dos galgas. Para ello se

emplea la siguiente expresión:

VWX � VW@ + VWY2

Donde SGI y SGD corresponden a la deformación medida por cada galga extensométrica,

denominadas “I”, “D”, respectivamente (ver Figura 46).

Con este ensayo se pretende descartar definitivamente que la diferencia obtenida entre las

distintas tecnologías de medida se deba a efectos de anisotropía del material. Se repite la

prueba en dos ocasiones, ambas manteniendo las mismas condiciones de ensayo. En la

misma línea seguida de representación de resultados se presentan las curvas tensión vs

deformación extraídas de cada test, Figura 77 y Figura 78.



107


Es comportamiento del sensor FBG sigue siendo el mismo, no mostrándose del todo preciso

como se desearía y volviendo a medir deformaciones superiores que las galgas

extensométricas. El valor experimental del modulo elástico obtenido con el sensor FBG

resulta algo inferior al valor real. En la Tabla 28 se resumen los resultados obtenidos.


Ensayo 1 2


Def. máxima 5132,62 µε 5431,03 µε 5128,36 µε 5443,57 µε

Error relativo -- 5,81 % -- 6,15 %

E11 70,56 GPa 66,52 GPa 70,66 GPa 66,46 GPa

Error relativo -- -5,73 % -- -5,95 %



108

La deformación máxima alcanzada se sitúa en 5130 µε. El sensor FBG vuelve a sobrepasar

este dato aproximadamente en 300 µε, cometiendo un error en torno al 6 %. El módulo de

Young calculado para esta probeta se asemeja al del resto de probetas ensayadas (aprox.

70 GPa), pues todas poseen el mismo tamaño y están extraídas del mismo material. Sin

embargo, no es éste el valor obtenido en base a la medida proporcionada por el sensor de

fibra óptica tipo redes de Bragg, cometiendo un error próximo al 6 %.

Ensayo T_FBGvsSG_EVAT054_S

Tras observar el comportamiento de los sensores de fibra óptica en los ensayos realizados

hasta el momento, y apreciar que el error cometido por este sistema de medida sobre

probetas de compuesto CFRP se maneja en valores similares en la totalidad de los mismos,

se decide analizar la evolución del error relativo cometido por el sistema respecto a la

tensión aplicada a lo largo del test.

Para ello se opta por efectuar cinco ensayos diferentes llevando la misma probeta a un

estado tensional que se incrementa escalonadamente en cada uno de ellos, correspondiente

a niveles de carga de 3, 6, 9, 12 y 15 kN.

La tendencia es común en todos los resultados obtenidos. Aleatoriamente se presentan dos

de ellos, Figura 79 y Figura 80, correspondientes a carga aplicada igual a 6 y 12 kN

respectivamente. En ellas se muestra las curvas σ vs ε.


109

Figura 79. Tensión vs Deformación T_FBGvsSG_EVAT054_S (6 kN)

Figura 80. Tensión vs Deformación T_FBGvsSG_EVAT054_S (12 kN)


110

Aparentemente no se observan diferencias entre ambas gráficas. Aunque analizando

detenidamente el valor obtenido para deformación máxima en cada ensayo, puede

establecerse una dependencia lineal entre el error relativo cometido por el sensor FBG y la

tensión aplicada. En la Figura 81 se observa claramente esta dependencia.

Figura 81. Error relativo vs Carga aplicada

Ya en el primero de los ensayos, correspondiente al estado tensional más bajo (70 MPa) y en

el que el nivel de deformación máxima alcanzado es similar al sometido a probetas de

aluminio, se da un error del 5,16 %. Este incrementa de forma lineal, alcanzando un valor

máximo de 6,14 % para el estado tensional más alto (360 MPa). Este hecho demuestra que

el comportamiento de la fibra óptica como sensor de deformaciones sobre fibra de carbono-

epoxi empeora conforme aumenta la deformación sufrida por el material. Además, deja

entrever que el error cometido por sensores FBG frente a galgas extensométricas no es

debido al nivel de deformación distinto alcanzado en los ensayos sobre uno u otro material

de estudio.

4.6

4.8

5

5.2

5.4

5.6

5.8

6

6.2

6.4

3kN 6kN 9kN 12kN 15kN

Erro

r re

lati

vo (

%)

Carga aplicada


111

6.2 ENSAYOS MECÁNICOS A FLEXIÓN

Ensayo F_FBGvsSG_SHMF001

Se realizan tres ensayos mecánicos sometiendo la probeta SHMF001 a esfuerzos de flexión.

La carga aplicada en cada uno de ellos es de 60, 100 y 140 N. Las deformaciones sufridas por

el espécimen se obtienen con dos dispositivos de medida diferentes (galgas extensométricas

y sensor FBG) con el objetivo de realizar un análisis comparativo entre ambos medios. Se

recuerda que el objetivo principal del presente proyecto es el de estudiar cómo se

comportan los sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg como sensor de deformación.

La deformación medida con el sensor de fibra óptica es calculada a partir de la detección de

la variación en la longitud de onda reflejada producida, utilizando la expresión ya conocida y

anteriormente expuesta en el transcurso del proyecto.

En la Figura 82 se observa esta variación en función del tiempo de ensayo para las tres

pruebas realizadas.

Figura 82. Longitud de onda reflejada vs Tiempo F_FBGvsSG_SHMF001


112

Se aprecia que el ratio “incremento en la longitud de onda reflejada-incremento de tiempo”

es independiente de la carga final aplicada al ensayo (siempre y cuando su velocidad de

aplicación se mantenga constante e igual en todos los ensayos), observándose un

comportamiento claramente lineal. Tras alcanzar la carga máxima, la probeta es

automáticamente descargada por el controlador de la máquina Zwick.

En la Figura 83 se presenta la gráfica tensión vs deformación obtenida para uno de los

ensayos, concretamente en el que se aplicó una carga máxima igual a 100 N, equivalente a

una tensión de 33,42 MPa. La tensión a flexión producida en un test a tres puntos es

calculada a partir de la siguiente expresión, indicada en la norma ASTM D7264:

L � 3 ∗ ; ∗ <4 ∗ Z ∗ ℎ7 (�A. �&)

Donde:

σ = Máxima tensión de flexión (MPa)

P = Carga aplicada (N)

L = Distancia entre apoyos (mm)

b = Ancho de la probeta (mm)

h = Espesor de la probeta (mm)


113

Figura 83. Tensión vs Deformación F_FBGvsSG_SHMF001 (100 N)

Como ya se ha mencionado, al finalizar cada ensayo el equipo realiza la descarga de la

probeta automáticamente. En el caso de los ensayos de flexión, la máquina Zwick lleva esta

descarga hasta valores negativos de fuerza.

En la Tabla 29 se muestra el valor alcanzado en deformaciones máximas así como el error

cometido por el sensor FBG en cada uno de los tres ensayos.

Resultados en deformaciones

Carga aplicada 60 N 100 N 140 N

Eq. de medida SG FBG SG FBG SG FBG

Def. máximas 631,04 µε 647,02 µε 1026,83 µε 1061,96 µε 1417,36 µε 1476,76 µε

Error relativo -- 2,53 % -- 3,42 % -- 4,19 %

Tabla 29. Resultados F_FBGvsSG_SHMF001


114

Al suponer pequeños desplazamientos, se considera a su vez que la galga extensométrica no

sufre una curvatura importante tal que pudiera afectar a su correcta medición. Se aprecia

que los resultados obtenidos no muestran la misma exactitud que los alcanzados cuando el

esfuerzo sometido es de tracción, en los que el error relativo cometido se encontraba en

torno al 1 % para el mismo material (Aluminio). El sensor FBG mide deformaciones

ligeramente superiores a la galga extensométrica llegando a un darse un error cercano al 5 %

para el caso de mayor carga aplicada. A su vez, también se observa que este error aumenta

conforme lo hace la fuerza aplicada en el ensayo.

Ensayo F_FBGvsSG_EVAT054

El objetivo de este ensayo es idéntico al anterior en su aplicación a material compuesto

CFRP. En esta ocasión el espécimen es sometido a cargas máximas de 40, 50 y 60 N dando

lugar a tres ensayos diferentes.

Se recuerda que la tensión correspondiente a esos estados de carga se calcula con la

expresión indicada en la norma ASTM D7264 sobre ensayos a flexión en materiales

compuestos de matriz polimérica, Eq. 14.

En la Figura 84 y en la Figura 85 se representan las curvas σ vs ε obtenidas para dos de ellos,

los correspondientes a cargas máximas aplicadas de 40 y 60 N, o equivalentemente 47,81 y

71,72 MPa.


115

Figura 84. Tensión vs Deformación F_FBGvsSG_EVAT054 (40 N)

Figura 85. Tensión vs Deformación F_FBGvsSG_EVAT054 (60 N)


116

Observando las gráficas se comprueba rápidamente la fuerte dispersión en los resultados

obtenidos. En la Tabla 30 se presentan las deformaciones máximas obtenidas por sendos

dispositivos de medida, en la que el valor correspondiente a la galga extensométrica (SG) es

el valor medio entre las dos galgas fijadas a la superficie de la probeta. Igualmente se

muestra el error cometido en deformaciones máximas por la medida del sensor FBG,

habiendo tomado la señal de la galga como magnitud de referencia.

Resultados en deformaciones

Carga aplicada 40 N 50 N 60 N

Eq. de medida SG FBG SG FBG SG FBG

Def. máximas 837,83 µε 933,86 µε 1082,39 µε 1211,18 µε 1318,1 µε 1476,7 µε

Error relativo -- 11,46 % -- 11,9 % -- 12,03 %

Tabla 30. Resultados F_FBGvsSG_EVAT054

El error cometido por el sensor FBG alcanza grandes valores a pesar de no haber sometido la

probeta a un estado tensional excesivo, permaneciendo en niveles de deformación máxima

muy por debajo del límite de operatividad del sensor os1100 (5000 µε).

Al igual que sucedía en ensayos mecánicos a tracción, el comportamiento de los sensores de

fibra óptica han resultado peor cuando estos son adheridos a la superficie de materiales

compuestos CFRP en lugar de aluminio.


117

6.3 EMBEBIDO DE SENSORES FBG DURANTE LA FABRICACIÓN DE UN PANEL DE

MATERIAL COMPUESTO

El resultado tras finalizar el ciclo de curado deja mucho margen a la mejora, Figura 86.

Figura 86. Panel de material compuesto. Resultado final

No se ha conseguido continuidad a lo largo y ancho de la superficie, presentando

ondulaciones en los puntos de apriete de los tornillos, zonas donde la resina ha fluido de

modo distinto al encontrarse con distinta presión. Además, la falta de rigidez de las placas

utilizadas ha provocado curvatura permanente en el conjunto, resultando un panel con

cierta concavidad.

Esta fuerte discontinuidad en el material hace que se opte por desestimar la caracterización

de las probetas que en un principio iban a ser extraídas del panel con el fin de comprobar si

embeber fibra óptica en estructuras de material compuesto puede ocasionar pérdida de

integridad estructural en el material huésped. En el caso de observar esta pérdida resulta

imposible establecer si es debido a la presencia de fibra óptica o simplemente es causa de la

falta de continuidad del panel obtenido.


118

En cuanto a la salida de la fibra óptica por la superficie del material, no se ha producido la

rotura de ésta en ninguno de los casos en los que sale por el borde del laminado. Fue en la

extracción del panel de la bolsa de vacío cuando se produjo la rotura del sensor FBG no

produciéndose cerca del borde del laminado.

En cambio, para los dos casos en los que la fibra óptica sale por la cara del panel, ésta resultó

dañada durante el proceso de curado debido a que el vacío realizado mediante una bolsa

adecuada para ello oprime la salida de la fibra óptica provocando tensiones que no es capaz

de soportar.


119

7. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

En este proyecto se ha podido empezar a demostrar que los sensores de fibra óptica tipo

redes de Bragg tienen un alto potencial para poder sustituir los sensores óhmicos tipo galga

extensométrica en la medición de deformaciones en estructuras aeroespaciales en servicio,

contribuyendo a la disminución de peso de equipamiento y ofreciendo la posibilidad de ser

embebidos dentro de estructuras de material compuesto. Esta conclusión está respaldada

por la revisión bibliográfica y por los resultados de los ensayos a tracción que se han

realizado comparando los sensores FBG con extensometría convencional y con el sistema de

video correlación Aramis.

Con respecto a este último, su principal ventaja es la posibilidad de actuar sin necesidad de

contacto con la pieza a inspeccionar, no modificando este y permitiendo su operatividad tras

el reconocimiento. Además, aunque no ha sucedido así en el presente proyecto, ofrece la

posibilidad de estudio sobre piezas 3D, ampliando en gran medida su rango de actuación. En

el transcurso de los ensayos, esta técnica ha presentado ciertas limitaciones dado el bajo

nivel de deformaciones alcanzadas. La principal ha sido la fuerte dispersión de los resultados

obtenidos en deformaciones. Este problema pudiera reducirse si en lugar de medir en

diferentes puntos de información distribuidos sobre la superficie, se calcula directamente la

deformación superficial de toda ella, técnica disponible en este sistema de video correlación.

No habiendo optado por esta opción, el ajuste por regresión del cómputo de datos extraídos

ha mostrado resultados aceptables.

Los ensayos de verificación del comportamiento de los sensores FBG en comparación con las

galgas extensométricas han mostrado aspectos con margen de mejora. Mientras que en su

uso adherido a una superficie de aluminio su comportamiento puede considerarse excelente

(error cometido menor del 1% en tracción), no puede decirse lo mismo cuando el material

huésped es material compuesto fibra de carbono-epoxi. En este caso, en los ensayos

mecánicos a tracción se da un error generalizado de un 5-6 %, viéndose superado este valor


120

en los ensayos a flexión en torno al 12% en CFRP (y 6% en Aluminio). Es probable que la

causa de este error radique en la aplicación del factor de conversión adecuado para

convertir las longitudes de onda medidas por el equipo lector de los sensores FBG en valores

de deformación.

Las ecuaciones mostradas como fundamento físico para los sensores de fibra óptica son

apropiadas en su aplicación sobre materiales isótropos y en un estado de carga uniaxial en el

que el sensor FBG es estirado. Este hecho explica la exactitud de los resultados para el caso

de ensayos a tracción sobre aluminio así como el error cometido sobre este mismo material

en los ensayos a flexión.

Las expresiones aplicables a un FBGS isótropo embebido o pegado sobre un material

compuesto con propiedades transversalmente isótropas fueron proporcionadas por Van

Steenkiste [STE 1996]. Dichas ecuaciones demuestran que el corrimiento de la longitud de

onda de la señal del sensor de Bragg depende no sólo de la longitud de onda inicial y de

propiedades ópticas y mecánicas del material del sensor sino también de las propiedades

mecánicas del laminado huésped y de su secuencia de apilamiento. Todas estas propiedades

necesitan conocerse para determinar el correcto factor de conversión que permite

transformar la variación de longitud de onda detectada en valores de deformación o

temperatura. Así pues, si se desea mayor exactitud en la aplicación de esta técnica sobre

material compuesto, se estima necesario el conocimiento absoluto de todas las propiedades

ópticas y mecánicas que entran en juego y el uso de las ecuaciones aplicables a este tipo de

materiales.

No ha sido posible realizar el estudio de pérdida de propiedades en el material huésped al

embeber sensores de fibra óptica pues el proceso seguido en la fabricación del panel de

material compuesto no ha sido eficiente. A falta de un autoclave para realizar el curado del

material, la cámara de altitud puede resultar suficiente siempre y cuando se aplique

uniforme y correctamente la presión necesaria en el proceso.


121

La salida de la fibra óptica por el borde del panel parece no conllevar mayores problemas

aunque resulta conveniente utilizar protecciones adecuadas para que no se produzca la

rotura del sensor en los bordes del laminado. Imprescindible resulta el uso de estas

protecciones cuando la salida del sensor FBG se efectúa por la cara del laminado pues el

vacío realizado crea tensiones en la salida de la fibra que ésta no es capaz de soportar

rompiéndose en la mayoría de los casos estudiados.

La influencia sobre la integridad estructural del material huésped junto con el estudio de los

métodos de conexión y terminación de sensores FBG en material compuesto representan las

dos líneas de investigación y desarrollo inmediatas en el futuro transcurrir del proyecto.

Así mismo se prevé la monitorización del curado de material compuesto a partir de prepregs

mediante sensores de Bragg. De este modo se pretende analizar la variación de temperatura

alcanzada durante el ciclo de curado en el interior de la resina e incluso controlar el flujo de

transferencia de ésta en procesos RTM. Con ello se pretende optimizar el ciclo de curado en

la fabricación de materiales compuestos.

Por último, es interesante simular el comportamiento de sensores FBG frente a condiciones

de servicio de estructuras aeroespaciales durante toda su vida operativa. Este es un tema de

vital importancia porque la propia naturaleza de esta tecnología (sensores integrados en

estructuras) impide la reparación de estos en caso de daño. Por ello, resulta necesario

emprender una campaña de ensayos de fatiga y ciclos térmicos para comprobar la

durabilidad y el funcionamiento correcto durante toda su vida operacional.

Todas las labores citadas son estrictamente necesarias antes de poder pensar en la

certificación de los sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg como sensores de

deformación y temperatura en estructuras aeroespaciales.


122

8. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

[ARM 1998] Armitage S. R, Holford D. M: Future fatigue monitoring systems, RTO Meeting

Proceedings 7 (RTO-MP-7), ref 4, 1998.

[CAU 2007] C. Caucheteur, M. Debliquy, D. Lahem, P. Mégret: Quasi-distributed fiber Bragg

grating sensors for hydrogen leak detection in air, in Proc. Proceedings Symposium

IEEE/LEOS Benelux Chapter, Bruselas, 2007

[CHA] Chan-Sun Hong, Chi-Young Ryu, Chun-Gon Kim: Strain measurement of composite

laminates using fiber Bragg grating sensors, Department of Aerospace Engineering, Korea

Advanced Institute of Sciense and Technology (KAIST), Korea.

[HIR 2006] Hiroshi Tsuda, Jung-Ryul Lee: Strain and damage monitoring of CFRP in impact

loading using a fiber Bragg grating sensor system, Composites Sciense and Technology 77

(2007) 1353-1361

[MAL 2006] Malte Frovel: Sensores de fibra óptica tipo redes de Bragg embebidos en

material compuesto para medir deformaciones y temperaturas criogénicas, Tesis doctoral de

la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos, Universidad Politécnica de Madrid,

2006.

[MAN 2008] Manfred Kreuzer: New horizons…for your measurements, Sensors

Peterborough NH, Volume 7004 (2008), Issue 10, Pages 70040B-70040B-4.

[MEN 1999] Menéndez J. M.: Redes de difracción de Bragg como sensores de deformación,

Tesis doctoral de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos, Universidad

Politécnica de Madrid, 1999.

[OKA 2004] Yoji Okabe, Ryohei Tsuji, Nobuo Takeda: Application of chirped fiber Bragg

grating sensors fofr identification of crack location in composites, Composites: Part A 35

(2004) 59-65.


123

[SAT 2002] K. Satori, Y. Ikeda, Y. Kurosawa, A. Hongo, N. Takeda: Development of small-

diameter optical fiber sensors for damage detection in composite laminates, Sensory

phenomena and measurement instrumentation for smart structures and materials, SPIE

2002, 4328, 285-95.

[STE 1996] Regis J. Van Steenkiste, George S. Springer: Strain and Temperature

Measurement with Fiber Optic Sensors, CRS Press, Lancaster, Peensylvania, USA, 1st Ed.

(1996)

[TAK 2002] S. Takeda, Y. Okabe, N. Takeda: Delamination detection in CFRP laminates with

embedded small-diameter fiber Bragg grating sensors, Composites: Part A 33 (2002) 971-980

[WEN 2011] Wenbin Hu, Hanli Cai, MInghong Yang, Xinglin Tong, Ciming Zou, Wei Chen: Fe-

C-coated fiber Bragg grating sensor for steel corrosion monitoring, Corrosion Sciense 53

(2011) 1933-1938.

[www01] www.micronoptics.com/sensing_instruments/php

[www02] www.fbgs.com/productsadv/be-en/7/detail/item/17/page/1/

[www03] www.hbm.com/es/menu/productos/electronica-de-medida/sistemas-de-

adquisicion-de-datos-especialmente-dedicados/interrogadores-optoelectronicos/si-di

PROYECTO FIN DE CARRERA Monitorización de...

Documents

Transcript of PROYECTO FIN DE CARRERA Monitorización de...