Previsão Numérica da Vida à Fadiga na Liga 7075-T651 para Histórias de Carga com Amplitude Variável

Abstract

As ligas de alumínio da série 7000 proporcionam excelentes propriedades mecânicas, tais como resistência específica, resistência à corrosão e tenacidade à fratura. Estas propriedades tornam este material ideal para o fabrico de componentes estruturais na indústria aeronáutica. Neste tipo de indústria, o material é sujeito a solicitações de cargas cíclicas com amplitudes de deformação e tensões variáveis, que levam à rotura do material pelo fenómeno de fadiga. Deste modo, é de extrema importância a previsão da vida do material, especialmente junto de descontinuidades geométricas críticas. Esse trabalho de previsão é bastante complexo e requer o desenvolvimento de modelos precisos que permitam fazer uma correta avaliação do processo de acumulação de dano e do histórico de carga. Assim, o objetivo desta dissertação consiste no desenvolvimento de um modelo energético que permita prever a vida de componentes sujeitos a ciclos de carga com amplitude de deformação variável. De modo a atingir esse objetivo, foi desenvolvido um modelo numérico elasto-plástico capaz de simular a resposta tensão-deformação cíclica da liga 7075-T651 quando sujeita a ciclos de carga simétricos e assimétricos para amplitudes de deformação entre 0.5% e 2.75%. Partindo dos ciclos estáveis destas simulações, estudaram-se 3 tipos de história de carga. O primeiro era constituído por carregamentos com amplitude de deformação constante, e os outros 2 eram compostos por dois blocos com amplitude variável, tendo-se estudado duas sequências de carregamento, nomeadamente alto-baixo (simétrico-assimétrico) e baixo-alto (assimétrico-simétrico), sendo a duração do primeiro bloco igual a 20% da vida esperada para amplitude constante. Com base nos resultados das simulações, comparou-se a resposta tensão-deformação cíclica numérica com a resposta tensão-deformação cíclica experimental, bem como a forma dos circuitos de histerese. Posteriormente, foram desenvolvidos 3 modelos de previsão da vida à fadiga. Mais concretamente, os modelos SWT, da densidade de energia de deformação total e da densidade de energia de deformação total acumulada. Para quantificar a acumulação de dano foi considerada a lei linear de Miner.De um modo geral, as previsões de vida obtidas apresentam bons resultados quando comparadas com os resultados experimentais para as mesmas condições de carregamento, embora o modelo da densidade de energia de deformação total acumulada apresente erros maiores para amplitudes de deformação mais baixas.

High-strength 7000-series aluminium alloys provides excellent mechanical properties, such as specific resistance, corrosion resistance and fracture toughness. These properties make this material ideal for the aeronautical industry in the manufacture of structural components. In this type of industry, the material is subject to cyclic loads with varying strain ranges and stresses, which can cause fatigue failure. Thus, it is extremely important to predict the fatigue lifetime, especially at the critical geometric discontinuities. Nevertheless, this type of prediction is rather complex, and requires the development of accurate models able to account for the fatigue damage accumulation process as well as the loading history. Therefore, the objective of this work is to develop a model energy-based model that allows to predict the fatigue life for components subject to time-varying deformation. In order to meet this objective, a cyclic elastic-plastic model was developed to simulate the stress-strain response of the 7075-T651 aluminium alloy for symmetrical and asymmetrical strain-controlled cyclic loads between 0.5% e 2.75%. Starting from the stable cycles of these simulations, 3 groups of loading histories were studied. The first consisted of constant-amplitude loading scenarios, and the other 2 were composed of two constant-amplitude loading blocks, namely high-low and low-high sequences. In both cases, the duration of the first loading block was equal to 20% of the expected lifetime for constant-amplitude. Based on the simulations, the numerical cyclic stress-strain response and the shape of the hysteresis loops were compared with those of the experimental tests. After that, three fatigue life prediction models were developed. More specifically, the SWT model, the total strain energy density model, and cumulative total strain energy density model. The fatigue damage accumulation has been evaluated via the Miner's linear damage accumulation rule.In general, the fatigue life predictions carried out with the proposed approaches were in good agreement with the experimental results. However, the cumulative total strain energy density model has exhibited higher errors for lower strain amplitudes.