Análise da propagação de fendas por fadiga com base no CTOD: efeito dos parâmetros numéricos

Abstract

A falha por fadiga é o modo de ruína mais frequente em componentes estruturais submetidos a cargas cíclicas. Os espectros de carregamento podem incluir tanto amplitude constante como amplitude variável, eventualmente com sobrecargas, subcargas e blocos de carregamento. A relação dadN/-DK tem sido utilizado na compreensão da análise de fendas por fadiga, porém apresenta algumas limitações, nomeadamente a incapacidade de incluir o efeito da razão de tensões e da história de carga. O parâmetro de abertura de extremidade de fenda, CTOD, possui um elevado potencial para substituir K, na análise de problemas de fadiga pois permite quantificar a deformação plástica na extremidade da fenda..Esta dissertação tem como objetivo estudar o efeito dos parâmetros do modelo numérico no valor previsto para o CTOD plástico. Os parâmetros estudados são a malha de elementos finitos, o ponto de medição de CTOD, o incremento de fenda e o número de ciclos entre propagações. Por conseguinte, recorreu-se a um programa de simulação numérica de elementos finitos (DD3IMP), onde se fez variar os parâmetros de carregamento de amplitude constante para as ligas de alumínio 6016-T4, 6082-T6 e 7050-T6. Além disso, simulou-se, como caso isolado, um carregamento de amplitude constante com aplicação pontual de sobrecargas e de blocos de carga do tipo Low-High para a liga de alumínio 7050-T6.Para complementar este estudo, pretende-se obter uma relação entre CTODp e valores de dadN/ já existentes.Foi encontrado um comportamento numérico transitório no início da propagação de fissuras que está associado à formação de uma onda plástica residual. Portanto, é necessário um número mínimo de incrementos para obter previsões estáveis. Por outro lado, o DCTODp previsto diminui com o aumento da distância à extremidade da fenda. Perto da extremidade da fenda, a sensibilidade aos valores medidos é muito maior, mas também existe em posições remotas. Além disso, a malha tem uma influência relativamente baixa. Finalmente, o efeito do número de ciclos de carga entre incrementos de fenda depende muito das propriedades do material, observando-se um aumento de DCTODp previsto com o número de ciclos.

Fatigue failure is the most frequent mode of ruin in structural components subjected to cyclic loads. The charging spectra may include both constant amplitude and variable amplitude, eventually with overloads, underloads and load blocks. The relationship of the dadN/-DK has been used to understand the fatigue crack analysis, but it has some limitations, namely the inability to include the effect of the stress ratio and load history. The crack tip opening displacement parameter, CTOD, has a high potential to replace DK, in the analysis of fatigue problems since it allows to quantify the plastic deformation at the crack tip.This dissertation aims to study the effect of numerical model parameters on the predicted value for plastic CTOD. The parameters studied are the finite element mesh, the CTOD measurement point, the crack increment and the number of cycles between propagations. Therefore, a finite element numerical simulation program (DD3IMP) was used, where the constant amplitude loading parameters for 6016-T4, 6082-T6 and 7050-T6 aluminum alloys were varied. In addition, a constant amplitude load with point and overload application of low-high load blocks for 7050-T6 aluminum alloy was simulated as an isolated case. To complement this study, we intend to obtain a relation between CTODp and values of da / dN already existing.A transient numerical behavior was found at the beginning of crack propagation that is associated with the formation of a residual plastic wave. Therefore, a minimum number of increments is required to obtain stable forecasts. On the other hand, the predicted DCTODp decreases with increasing distance to the crack tip. Near the edge of the tip, the sensitivity to measured values is much higher, but it also exists in remote locations. In addition, the mesh has a relatively low influence. Finally, the effect of the number of load cycles between crack increments depends greatly on the properties of the material, with an expected increase in DCTODp with the number of cycles.