Estudo numérico de propagação de fendas por fadiga em juntas soldadas em T

Abstract

A fadiga é um processo de alteração estrutural permanente, progressivo e localizado, que resulta de cargas cíclicas aplicadas em componentes, sendo estas responsáveis pela grande parte das falhas de serviço e pela rotura dos materiais. O comportamento à fadiga de juntas soldadas, continua a ser uma área muito investigada. Apesar dos grandes avanços conseguidos na tecnologia da soldadura, as ligações soldadas continuam a ser um ponto crítico e suscetível à iniciação e propagação de defeitos por fadiga. A investigação de fenómenos de fadiga com base em abordagens numéricas, devido ao crescente aumento das velocidades de processamento dos computadores da atualidade, tem-se revelado muito atrativa. De entre as várias técnicas numéricas, destaca-se o método dos elementos finitos, que permite simular geometrias e carregamentos complexos. Neste trabalho, o principal objetivo consiste no desenvolvimento de um procedimento automático, baseado no método dos elementos finitos, para o estudo de fenómenos de propagação de fendas por fadiga em juntas soldadas em forma de T sujeitas a cargas cíclicas em Modo-I. O procedimento procura implementar uma técnica de remalhagem adaptativa com múltiplos graus de liberdade para a frente de fenda, e é desenvolvido usando o ambiente de programação Visual Basic 2012. As malhas de elementos finitos são constituídas por três regiões: uma região em forma de teia de aranha junto à frente de fenda; uma malha de transição que procura criar uma caixa retangular; e uma malha regular que preenche o resto da peça. Os campos de deslocamentos são obtidos a partir da ferramenta computacional COSMOSM. Os fatores de intensidade de tensão ao longo da frente de fenda são calculados com o método direto da extrapolação com dois pontos. Os avanços da frente de fenda são obtidos através de curvas da/dN−AK. As frentes de fenda são definidas usando funções cubic spline. O procedimento desenvolvido tem elevada flexibilidade: permite estudar diferentes formas de fendas, incluindo fendas de canto, e fendas superficiais; diferentes geometrias das peças a unir; diferentes formas de cordões e níveis de penetração da soldadura; diferentes tipos de carga, incluindo tração, flexão e tração-flexão; entre outros.

Fatigue is a progressive and localised structural damage caused by cyclic loading, which are largely responsible for the failure of materials. The fatigue behavior of welded joints has been extensively studied over the years. Despite the great advances in welding technology, welded connections are susceptible to fatigue crack initiation and fatigue crack propagation. The research of fatigue phenomena from numerical approaches, due to high processing capacity of today's computers, has proved to be very attractive. Among the various advanced numerical techniques, the finite element method is one of the most efficient because it can handle complex geometries and complex loading. In this work, the main objective is to develop an automatic procedure based on the finite element method to the study fatigue crack growth phenomena in welded T-joints subject to Mode-I cyclic loading. The procedure implements an adaptive re-meshing technique with multiple degrees of freedom along the crack front using the Visual Basic 2012 programming language. The finite element meshes combine three regions: a spider web mesh near the crack front; a transition mesh whose main aim is to create a rectangular box; and a regular mesh that fills the rest of the body. The displacement fields are obtained from the COSMOSM computational tool. The stress intensity factors along the crack fronts are calculated using the direct method of extrapolation with two points. The advances of the crack front nodes are obtained from da/dN−AK curves. The crack front shapes are defined through cubic spline functions. The procedure developed is very flexible. It allows to study different crack front shapes, including corner cracks and surface cracks; different geometries of the base materials; different welding geometries and penetration levels; different loading scenarios, including tension, bending and both; among others.