Propagação de fendas por fadiga: Confronto das previsões numéricas com resultados experimentais

Abstract

Os componentes e estruturas estão sujeitos a cargas cíclicas durante o seu período de funcionamento. Tais solicitações podem levar a falhas por fadiga, logo é fundamental garantir que os componentes mecânicos sejam projetados de modo a evitar este modo de falha. Um dimensionamento à fadiga adequado, para além de assegurar um nível apropriado de segurança e confiabilidade, permite também prever a vida útil destes equipamentos, geralmente através da relação entre a velocidade de propagação e a gama do fator de intensidade de tensões. No entanto, esta abordagem revela algumas incertezas, pelo que novas teorias foram propostas para contornar estas limitações, nomeadamente envolvendo parâmetros não lineares.O principal objetivo desta dissertação é comparar as previsões numéricas da velocidade de propagação de fendas por fadiga com resultados experimentais, obtidos em provetes de flexão de aço S690QL, quando submetidos a carregamentos cíclicos de amplitude constante. A propagação numérica é feita por libertação dos nós quando a deformação plástica acumulada atinge um valor crítico. Este valor crítico foi calibrado utilizando um valor experimental de da/dN para uma razão de tensão, R=0,8. Nas simulações numéricas foi utilizado o programa de elementos finitos DD3IMP. Os resultados foram obtidos para três razões de tensão diferentes e para diferentes valores de comprimento de fenda inicial, a0. Estas simulações foram realizadas para estado plano de deformação e estado plano de tensão. No âmbito deste estudo, é também interessante perceber o efeito na análise dos resultados, da variação de parâmetros físicos como a razão de tensões e de parâmetros numéricos, entre os quais, o tamanho da malha e os estados de plano. A calibração do valor crítico da deformação plástica cíclica na extremidade da fenda levou a valores relativamente altos, superiores a 800 %. O modelo numérico adotado foi capaz de prever satisfatoriamente, o efeito do ΔK e da razão de tensões na velocidade de propagação da fenda, indicando claramente que a deformação plástica cíclica na extremidade da fenda é o principal mecanismo de dano durante a propagação. O tamanho da malha no programa de elementos finitos também foi um parâmetro alvo de análise, considerando elementos com 8 μm e 4 μm.

The components and structures are subjected to cyclic loads, during their service life. Such loads can lead to fatigue failure and therefore, it is essential to ensure that mechanical components are designed to avoid this failure mode. An adequate fatigue design, besides ensuring an appropriate level of safety and reliability, also allows predicting the lifetime of these equipments, usually through the relationship between the crack growth rate and the stress intensity factor range. However, this approach reveals some uncertainties, so new theories have been proposed to circumvent these limitations, namely involving non-linear parameters.The main goal of this thesis is to compare numerical predictions of fatigue crack growth with experimental results obtained on S690QL steel bending specimens, when subjected to constant amplitude cyclic loading. The numerical propagation is done by releasing the nodes when the accumulated stress strain reaches a critical value. The critical value was calibrated using an experimental value of da/dN for the sress ratio, R=0,8. In the numerical simulations the finite element program DD3IMP was used. The results were obtained for three different stress ratios and for different values of initial crack length, a0. These simulations were performed for plane stress and plane strain states. In the scope of this study, it is also interesting to understand the effect on the analysis of the results, of varying physical parameters, such as, the stress ratio and numerical parameters, among which, the mesh size and the plane states. The calibration of the critical cyclic plastic strain value at the crack tip led to relatively high values, higher than 800 %. The adopted numerical model was able to predict satisfactorily, the effect of ΔK and stress ratio on the crack growth rate, clearly indicating that the cyclic plastic strain at the crack tip is the main damage mechanism during propagation. The mesh size in the finite element program was also a target parameter of analysis, considering elements with 8 μm and 4 μm.