A detecção precoce de danos, como trincas, que aparecem em determinadas estruturas devido ao desgaste natural das peças, à lubrificação inadequada e à falta de reparos, antes de se tornarem falhas irreparáveis, são situações desafiadoras para a área de Engenharia quando a máquina se trata de uma aeronave com capacidade de sustentar, por exemplo, mais de 400 mil quilos durante um voo.

O binômio trinca e falta de manutenção pode ser um ingrediente capaz de causar acidentes de maior gravidade em aviões. Mas hoje observa-se um grande interesse mundial no desenvolvimento de sistemas que permitam monitorar contínua e preventivamente a integridade dessas estruturas para evitar catástrofes e auxiliar nos procedimentos de manutenção somente quando houver necessidade de intervenção.

O engenheiro eletricista Pablo Rodrigo de Souza desenvolveu em sua tese de doutorado, defendida na Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), métodos baseados na propagação de ondas em estruturas. Eles se mostraram eficazes não apenas para detectar, mas também para localizar e avaliar a severidade dos danos.

Essas ferramentas podem ser aplicadas inclusive para identificar o surgimento de trincas em diversos tipos de estruturas da área de Engenharia, incluindo aeronaves, veículos terrestres ou aquáticos e satélites. Os resultados comprovaram experimentalmente a eficácia dos métodos.

Com base neles, um dos próximos passos será desenvolver um equipamento que possa ser integrado ao sistema a ser monitorado, no qual serão conectados transdutores e processadores, com vistas a detectar e realizar diagnósticos em tempo real, durante o próprio funcionamento da estrutura.

Os testes para detecção e localização de trincas em placas de alumínio e em vigas, provocadas com o auxílio de um instrumento de corte, foram efetuados no Laboratório do Departamento de Mecânica Computacional (DMC) da FEM. Esse trabalho aconteceu no âmbito da linha de pesquisa “Instrumentação, processamento de sinais e monitoramento da integridade de estruturas”.

As etapas de definição do posicionamento dos transdutores (a partir de um arranjo geométrico), aquisição e processamento dos sinais já foram concluídas ao longo da tese.

Agora, a intenção de Pablo é integrar os diversos módulos em um único sistema, substituindo alguns equipamentos como o gerador de funções arbitrário (usado para gerar o sinal de excitação) e o osciloscópio (que faz a aquisição do sinal para ser processado) por um moderno sistema de aquisição e processamento digital de sinais.

Métodos

No primeiro método, os parâmetros que detectam a presença do dano e permitem que seja feita sua localização baseiam-se nas reflexões de ondas nas descontinuidades da estrutura, como bordas, trincas e furos, as quais são medidas por um arranjo multissensor. “O aparecimento do dano traz alterações no formato dos sinais medidos pelos sensores”, diz Pablo.

Nesse caso, comparando os parâmetros extraídos deles na estrutura íntegra com a estrutura danificada, é possível obter uma estimativa da sua localização na região monitorada, afirma o doutorando. Dessa maneira, de acordo com o engenheiro, a aplicação do método indica o começo da formação da trinca e a necessidade de realizar a inspeção.

Um segundo método emprega parâmetros extraídos dos sinais transmitidos e não mais refletidos, correspondentes à propagação das ondas através do dano, medidos pelo arranjo multissensores.

Quando surge um dano entre o transdutor que está excitando a estrutura e um dos transdutores que está medindo o sinal, são esperadas alterações nas amplitudes de componentes dos sinais mensurados pelos sensores próximos ao dano, revela o autor. “Assim, é possível detectar e determinar a sua direção dentro da região monitorada.”

Os métodos avaliados, conforme Pablo, podem ser usados conjunta ou isoladamente. Com eles, é possível também serem obtidos parâmetros indicativos de quão grave está o dano na estrutura.

O procedimento hoje adotado pelos profissionais das companhias aéreas, encarregados da análise do estado da manutenção, reconhece os pontos críticos na aeronave e tem condições de perceber o dano com a ajuda de uma variedade de instrumentos, desde lupas a emissores acústicos, passando pelos raios X. A inspeção para eles então é, de fato, um evento de inestimável valor.

Alguns aviões, por exemplo, devem ser inspecionados periodicamente ou de acordo com um sistema que possibilite sua inspeção total ao longo de determinado tempo ou de horas voadas. Normalmente, os procedimentos de manutenção são feitos em função do tempo de vida útil estimado das peças, para que haja troca das partes provavelmente afetadas.

O órgão regulador de aviação do governo, a Anac (Agência Nacional de Aviação Civil), estipula a inspeção de toda aeronave civil a intervalos específicos, a depender do tipo de operação efetuada, com a finalidade de comprovar o seu estado de conservação. Para a segurança das aeronaves, são recomendadas inspeções obrigatórias antes de cada viagem e outras mais meticulosas a intervalos regulares por horas de voo.

O pesquisador, que no seu projeto de tese teve orientação do docente da FEM Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega, escolheu o assunto pelo fato de esses sistemas de monitoramento e diagnóstico poderem detectar e prognosticar o surgimento de falhas e sua evolução, alertando contra eventos desastrosos.

Também escolheu o tema porque esses sistemas auxiliam no planejamento da manutenção, otimizando o uso de recursos e diminuindo os custos. “Há hoje trabalhos que reportam estimativas do quanto a empresa pode reduzir nos custos com manutenção utilizando sistemas para o monitoramento da integridade de estruturas”, descreve ele.

Em determinados tipos de manutenção, estipula-se ainda que as aeronaves permaneçam paradas por horas, quando ocorre a troca de peças que nem sempre precisariam ser substituídas naquele exato momento, apenas para cumprir a uma exigência do setor aeronáutico.

Um avião que fica estacionado por essa razão, repara Pablo, pode trazer gastos desnecessários à empresa, além de prejudicar as atividades de praticamente toda equipe envolvida na operação.

Aplicações

Estruturas mecânicas encontradas em várias áreas – além da aeronáutica, também a civil, a marítima e a ferroviária – estão sujeitas a trincas, devido ao desgaste das peças durante seu funcionamento. Segundo o autor do trabalho, nenhum material é isento de defeitos, os quais tendem a evoluir tornando-se grandes danos, isso desde a fabricação, passando pela montagem, pela operação e pela manutenção.

Quando uma chapa de fuselagem é furada para fixar um simples rebite (fixador mecânico metálico), exemplifica o doutorando, ela pode formar uma trinca minúscula, aparecendo em qualquer espécie de material por conta do esforço e fadiga.

A trinca pode surgir em estruturas lineares como trilhos de trem, cascos de navios, estruturas de pontes, etc. “Uma trinca mais profunda é suficiente para ocasionar o descarrilamento de um trem ou mesmo a submersão de um navio”, avisa o pesquisador.

O seu estudo teria inclusive uma aplicação real e oportuna na área de monitoramento da integridade de pontes, por haver inúmeras dessas estruturas espalhadas pelo mundo e novas pontes sendo construídas, que deveriam incluir sempre sistemas integrados de monitoramento.

Logo, durante sua projeção, as pontes embutiriam os transdutores necessários para medir os sinais e uma série de equipamentos para implantar o sistema de monitoramento da sua integridade.

Via de regra, comporiam esses sistemas um gerador de funções arbitrárias, para criar o sinal de excitação; técnicas de processamento de sinais, porque habitualmente eles são corrompidos por ruídos naturais do ambiente; e metodologias para obter os parâmetros dos sinais processados, combinando as informações encontradas a fim de chegar ao diagnóstico da estrutura. Pablo aplicou as técnicas do estudo no programa computacional Matlab, muito praticado em projetos de Engenharia.

Nas simulações da FEM, foi usado um gerador de funções arbitrárias, equipamento de laboratório que produz vibrações, induzindo as ondas na estrutura. “Como a fuselagem do avião é enorme, se conseguirmos localizar a região danificada, será possível ir diretamente ao ponto que está sugerindo um problema e também fazer uma avaliação da sua severidade”, explica o doutorando, que é professor do Instituto Federal de São Paulo.

Publicação

Tese: “Métodos para análise da propagação de ondas em sólidos baseados em arranjos multissensores para o monitoramento da integridade de estruturas”
Autor: Pablo Rodrigo de Souza
Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega
Unidade: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM)