Effect of Christmas Tree Loading Pattern on Fatigue Crack Growth

Abstract

A maioria dos componentes mecânicos está sujeito a cargas cíclicas ou dinâmicas, que podem provocar falhas em serviço. O principal modo de ruína destes equipamentos é o fenómeno de falha de fadiga. Deste modo, é importante o dimensionamento à fadiga para prever a vida útil dos componentes e evitar consequências catastróficas, especialmente económicas e humanas. A previsão da vida útil é obtida é habitualmente estudada através da propagação de fendas por fadiga (PFF), utilizando curvas 𝑑𝑎⁄𝑑𝑁 − ∆𝐾. Uma vez que o fator de intensidade de tensão, ∆𝐾, é um parâmetro elástico e os fenómenos que ocorrem na extremidade da fenda são irreversíveis, esta metodologia apresenta algumas limitações. Assim, essas limitações levam à procura de parâmetros não lineares para uma melhor compreensão da PFF, como por exemplo o CTOD plástico, como é utilizado neste trabalho.Esta dissertação tem como objetivo principal o estudo do efeito de carregamentos de amplitude variável na propagação de fendas de fadiga em provetes CT de uma liga AA2024-T351. Assim, pretende-se obter a previsão da velocidade de propagação da fenda, quando o provete está sujeito a um carregamento complexo denominado “Christmas Tree Spectrum”. Este estudo realizou-se numericamente recorrendo ao programa de elementos finitos DD3IMP, assumindo que a propagação da fenda é controlada pelo valor da deformação plástica na extremidade da fenda.Verificou-se que a PFF e as curvas de CTOD são semelhantes tanto para as simulações submetidas a um carregamento de amplitude constante como para as de amplitude variável, com exceção do padrão High Frequency. A deformação plástica tende para o mesmo valor independentemente da simulação em estudo, desde que seja durante o mesmo intervalo de tempo. Além disso, tanto a velocidade de propagação como a deformação plástica tendem para valores superiores nas simulações sem contacto, concluindo assim que o fenómeno de fecho de fenda é relevante neste contexto

Most mechanical components are subject to cyclic or dynamic loads, which can cause failure in service. The main failure mode of such equipment is the fatigue phenomenon. Thus, fatigue design is crucial to predict the service life of components and avoid catastrophic consequences, especially in economic terms and in the loss of human lives. The prediction of service life is usually done by assessing fatigue crack growth (FCG), using 𝑑𝑎⁄𝑑𝑁 − ∆𝐾 curves. However, this methodology presents some limitations as the stress intensity factor, 𝐾, is an elastic parameter and the phenomena occurring at the crack tip are irreversible. These limitations led to the study of nonlinear parameters, which allow a better understanding of the FCG, such as the plastic CTOD used in this work.This study aims to evaluate the effect of variable amplitude loadings on fatigue crack growth, in CT specimens produced with an AA2024-T351 aluminium alloy. Specifically, it is intended to obtain the prediction of the crack propagation rate, when the specimen is subjected to a complex loading pattern, named “Christmas Tree Spectrum”. The numerical study was conducted using the in-house developed finite element code DD3IMP. The crack propagation is controlled by the plastic deformation value at the crack tip.Results present a good agreement between FCG and CTOD curves and are similar for both simulations subjected to constant amplitude and variable amplitude loading, except for the High Frequency pattern. The plastic deformation tends toward the same value regardless of the simulation under study, when considering the same time interval. Furthermore, both the propagation rate and plastic deformation tend towards higher values in the non-contact simulations, thus concluding that the crack closure phenomenon is relevant in this context.