Propagação de fendas por fadiga: comparação entre resultados numéricos e experimentais

Abstract

A maioria dos componentes mecânicos está sujeita a cargas cíclicas em serviço. Esses componentes podem falhar em serviço devido ao fenómeno de fadiga. Sendo assim, o dimensionamento à fadiga é processo fundamental na vida útil destes equipamentos. O estudo deste tipo de falha é feito, classicamente, recorrendo a curvas da/dN – ΔK, que permitem prever a vida útil do componente. No entanto, a utilização de um parâmetro linear elástico, ΔK, na caracterização de um fenómeno não linear e irreversível como é a deformação plástica, apesar dos bons resultados já obtidos, apresenta algumas limitações. Essas limitações levam à procura de parâmetros capazes de prever a vida útil destes elementos. Posto isto, o objetivo principal desta dissertação é a validação do modelo numérico desenvolvido pelo grupo de investigação comparando as previsões com os resutlados experimentais obtidos por Luís Borrego para dois materiais de base: as ligas de alumínio 6082-T6 e 7050-T6. Utilizando-se o programa de elementos finitos DD3IMP, as simulações foram efetuadas para provetes do tipo MT e a propagação de fenda é controlada pelo valor de deformação plástica acumulada na extremidade da fenda. Assim sendo, foram realizadas 34 simulações numéricas e posterior tratamento de dados para verificar a autenticidade dos resultados. Primeiramente, foram efetuados testes para as duas ligas de alumínio com carregamento em amplitude constante, para três razões de tensão diferentes, R, e quatros valores de comprimento de fenda inicial, a0. Posteriormente, apenas para a liga de alumínio 6082-T6 realizaram-se simulações numéricas com carregamento em sobrecarga, para dois valores de razão de tensão, dois valores de ΔK e alguns valores de sobrecarga, OLR Por fim procedeu-se a análise de fecho de fenda com o cálculo da percentagem de ciclo de carga em que a fenda permaneceu fechada, U*, na última propagação da fenda para cada simulação de carregamento em amplitude constante.A comparação com os resultados experimentais permite a validação do modelo numérico de elementos finitos. De uma forma geral, os resultados obtidos através do modelo revelaram-se muito assertivos. As curvas numéricas descrevem de forma excelente o comportamento esperado para os dois tipos de carregamentos e apresentam-se muito próximas das curvas experimentais. Os efeitos da razão de tensão, R, do ΔKBL e do OLR são retratados pelos resultados numéricos tal e qual como esperado e apresentado pelos resultados experimentais. Em suma, os resultados numéricos obtidos transmitirão reconhecimento e credibilidade às simulações numéricas, muitas vezes questionadas pelos revisores.

Most mechanical components undergo cyclical loading in service. These components can fail in service due to fatigue. Therefore, fatigue dimensioning is a fundamental process in the useful life of these equipments. The study of this type of failure is classically done using curves da/dN – ΔK, which allows predicting the useful life of the component. However, the use of an elastic linear parameter, ΔK, in the characterization of a non-linear and irreversible phenomenon such as plastic strain, despite the good results already obtained, has some limitations. These limitations lead to the search for parameters capable of predicting the useful life of these elements.That said, the main goal of this dissertation is the validation of the numerical model developed by the research group comparing the results obtained with the experimental ones obtained by Luís Borrego for two base materials: the 6082-T6 and 7050-T6 aluminum alloys. Using the finite element program DD3IMP, simulations were carried out for MT type specimens and the crack propagation is controlled by the plastic strain value at the end of the crack. Therefore, 34 numerical simulations were carried out and subsequent data processing to verify the authenticity of the results. First, tests were carried out for the two aluminum alloys with constant amplitude loading, for three different stress ratios, R, and four values of initial crack length, a0. Subsequently, numerical simulations were only carried out for the 6082-T6 aluminum alloy with overload loading, for two values of voltage ratio, two values of ΔK and some values of overload, OLR. Finally, a crack closure analysis was performed with the calculation of the percentage of load cycle in which a crack remained closed, U *, in the last crack propagation for each constant amplitude loading simulation.Finally, the comparison with the experimental results allows the validation of the finite element numerical model. In general, the results obtained through the model proved to be very assertive. The numerical curves excellently describe the expected behaviour for the two types of loads and are very close to the experimental curves. The effects of stress ratio, R, ΔKBL and OLR are portrayed by the numerical results as expected and presented by the experimental results. In short, the numerical results obtained will convey recognition and credibility to numerical simulations, often questioned by reviewers.