Previsão numérica da vida à fadiga em peças entalhadas sujeitas a cargas cíclicas multiaxiais

Abstract

A fadiga é na grande maioria das vezes a razão associada a ruína dos componentes mecânicos solicitados ciclicamente. Este fenómeno é fortemente influenciado por várias propriedades, das quais destacamos a geometria do material solicitado e o tipo de carregamento aplicado. Quanto maior for a descontinuidade geométrica apresentada no material maior a sua sensibilidade ao fenómeno de fadiga.Atualmente a grande maioria dos componentes mecânicos utilizados nas transmissões mecânicas, apresentam várias descontinuidades geométricas severas e estão sujeitos a carregamentos combinados e cíclicos, implicando elevada sensibilidade a falha por fadiga. Salientamos que muitas das vezes é inevitável a presença das descontinuidades geométricas, uma vez que, podem nascer por necessidades de projeto, por questões funcionais, ambientais ou orçamentais.Visando os aspetos listados no parágrafo anterior, neste estudo pretendemos desenvolver uma metodologia de previsão de vida à fadiga para peças de secção circular sujeitas a histórias de cargas multiaxiais. Para tal utilizamos a liga de aço martensítico de alta resistência DIN 34CrNiMo6, que apresenta elevada ductilidade e tenacidade, bem como tem grande destaque no sector automóvel e aeronáutico. Não podemos deixar de referir, que quanto maior a complexidade do carregamento aplicado, maior é a dificuldade do método em prever a falha por fadiga, o que torna o estudo bastante elaborado pois estamos presentes a carregamentos proporcionais multiaxiais, considerados para duas relações entre momento fletor (B) e momento torsor (T), (B=2T e B=T) e três ângulos de aplicação do momento fletor relativamente à raiz do entalhe (0º, 45º e 90º).O estudo procedeu-se em três fases, sendo que na primeira fase determinamos os estados de tensão e de deformação nas zonas críticas das descontinuidades geométricas, obtidos a partir de modelos numéricos elasto-plásticos. Nesta fase foi estimada a vida de fadiga usando o modelo energético de Ellyin e que posteriormente foi comparada com os resultados obtidos em trabalhos anteriores pelo método de Glinka.Numa segunda fase, as previsões numéricas foram comparadas com resultados experimentais, de fadiga oligocíclica, obtidos para as mesmas condições de serviço.Por fim, fizemos uma análise dos resultados apurados para cada modelo de previsão e repararmos que os mesmos são satisfatórios, pois 88,9% dos resultados encontram-se no regime conservativo e os que não estão dentro desta zona estão localizados nos intervalos de dispersão propostos.

Fatigue is most often the reason associated with the failure of cyclically ordered mechanical components. This phenomenon is strongly influenced by several properties, of which we highlight the geometry of the material requested and the type of loading applied. The greater the geometric discontinuity presented in the material, the greater its sensitivity to the phenomenon of fatigue.Currently, the vast majority of mechanical components used in mechanical transmissions have several severe geometric discontinuities and are subject to combined and cyclic loading, implying high sensitivity to fatigue failure. We emphasize that often the presence of geometric discontinuities is inevitable since they can be born due to project needs, functional, environmental or budgetary issues.Aiming at the aspects listed in the previous paragraph, in this study we intend to develop a fatigue life prediction methodology for circular section parts subjected to multiaxial load histories. For this, we use the high strength martensitic alloy steel DIN 34CrNiMo6, which high ductility and toughness, as well as being prominent in the automotive and aeronautics sector. We can not fail to mention that the greater the complexity of loading applied, the greater the difficulty of the method to predict fatigue failure, which makes the study quite elaborate because we are present with multiaxial proportional loads, considered for two relationships between bending moment. (B) and torsional moment (T), (B = 2T and B = T) and three angles of application of the bending moment relative to the notch root (0º, 45º and 90º).The study proceeded in three phases, and in the first phase we determined the stress and strain states in the critical zones of geometric discontinuities, obtained from elastoplastic numerical models. In this phase, the fatigue life was estimated using the Ellyin energy model and later compared with the results obtained in previous works by the Glinka method.In the second phase, the numerical predictions were compared with experimental oligocyclic fatigue results obtained for the same service conditions.Finally, we made an analysis of the results obtained for each prediction model and noticed that they are satisfactory because 88.9% of the results are in the conservative regime and those that are not within this zone are located in the proposed dispersion intervals.