Estudo numérico de fenómenos de acumulação de dano em ligas de alumínio de alta resistência

Abstract

7075-T651 aluminium alloy is characterised by its excellent mechanical properties and is used especially in the aerospace and aviation sectors. As such, it is an alloy that is constantly subjected to load fluctuations, making it crucial to predict its fatigue life under this service conditions. Therefore, this dissertation aims to develop a fatigue life prediction model for the 7075-T651 aluminium alloy under variable-amplitude loading histories composed of three blocks. In the present work, a numerical model is used to simulate the cyclic elastic-plastic behaviour of the tested material under both symmetrical and asymmetrical loading conditions. Thus, before the fatigue life prediction, the stable hysteresis loops are compared with those obtained experimentally at the same loading conditions. These loading cases were divided into two groups of three blocks: symmetrical-high-low and symmetrical-low-high. Nevertheless, the blocks that define each loading history were simulated independently and rearranged later in order to obtain the desired loading sequence. After comparing the stable hysteresis loops for each block, fatigue life predictions were calculated using three well-known models: Coffin-Mason, Smith-Watson-Topper and Total Strain Energy Density. In the first stage, fatigue damage accumulation was accounted for with Miner's law. After that, the validity of this fatigue damage accumulation law was investigated and it was concluded that it is not suitable for estimating the fatigue life in this material when subjected to these loading scenarios. Therefore, an alternative fatigue damage accumulation law was tested, the Kwofie and Rahbar law, a non-linear damage law, in conjunction with the above-mentioned fatigue life prediction models.The results obtained with the non-linear damage law were very close to the experimental results, in particular when the SWT model was used. In this case, the average value of the ratio of predicted live to experimental life was 1,05.

A liga de alumínio 7075-T651 é caracterizada pelas suas excelentes propriedades mecânicas e é utilizada especialmente no setor aeroespacial e no setor aeronáutico. Deste modo, trata-se de uma liga que é constantemente sujeita a flutuações de carga, pelo que se torna crucial dispor de ferramentas de previsão de vida à fadiga nestas de condições de serviço. Nesse sentido, esta dissertação procura desenvolver um modelo de previsão de vida à fadiga para a liga de alumínio 7075-T651 sob ação de carregamentos de amplitude variável de 3 blocos.Neste trabalho, é utilizado um modelo numérico para simular o comportamento elasto-plástico cíclico para carregamentos simétricos e assimétricos em controlo de deformação. Assim, antes da previsão de vida à fadiga, começou-se por comparar os resultados numéricos obtidos dos ciclos de histerese da meia vida com os resultados experimentais obtidos para as mesmas condições de carregamento. Estes casos de carregamento foram divididos em dois grupos de três bloco: simétrico-alto-baixo e simétrico-baixo-alto. Os blocos que constituem cada história de carga são, no entanto, simulados de forma independente e rearranjados de forma a obter-se a sequência de carregamento respetiva. Após a comparação dos ciclos de histerese de cada bloco, efetuou-se a previsão de vida à fadiga para cada sequência de carregamento com recurso aos modelos de Coffin-Mason, Smith-Watson-Topper e Densidade de Energia de Deformação Total. A acumulação de dano, numa primeira fase, foi contabilizada através da lei linear de Miner. Numa segunda fase, investigou-se a validade da aplicação desta lei de dano, tendo-se concluído que a mesma não parece ser adequada para este material quando sujeito aos carregamentos de amplitude variável estudados. Deste modo, testou-se, posteriormente, a lei de Kwofie e Rahbar, uma lei de dano não linear, em conjunto com os modelos de previsão referidos anteriormente.Os resultados obtidos com esta lei não linear revelaram-se bastante próximos das vidas à fadiga experimentais, em especial quando foi utilizado o modele SWT. Neste caso, o valor médio da razão entre a vida prevista e a vida experimental foi 1,05.