Analysis of fatigue crack propagation on load patterns produced by trains on railway bridges

Abstract

A maioria dos componentes mecânicos está sujeita a cargas cíclicas ou dinâmicas que podem provocar fenómenos de falhas destes componentes. A fadiga é o fenómeno de falha mais comum em componentes sujeitos a estas condições. Deste modo é importante dimensionar os componentes à fadiga e prever a sua vida útil para evitar falhas com consequências muito graves. A previsão da vida útil é normalmente feita a partir da evolução da propagação das fendas por fadiga, onde se utiliza as curvas 𝑑𝑎/𝑑𝑁−Δ𝐾. No entanto, esta abordagem apresenta sempre algumas limitações porque os fenómenos que acontecem na extremidade da fenda são irreversíveis, atuando no regime plástico, e o fator de intensidade de tensão, Δ𝐾, é um parâmetro meramente elástico. Para contornar esta limitação, outros parâmetros não lineares foram propostos, um deles é o CTOD plástico que vai ser abordado neste trabalho para explicar alguns fenómenos que acontecem na propagação de fendas por fadiga.Esta dissertação tem como objetivo principal estudar o efeito dos carregamentos de amplitude variável na propagação de fendas por fadiga em provetes de tensão compacta (CT) de uma liga AA2024-T351. Para isso, foram estudados dois carregamentos reais de comboios a passar sobre pontes ferroviárias. Os carregamentos foram filtrados através do método de Rainflow. Recorreu-se à análise de métodos de elementos finitos (MEF) para a resolução do problema, o programa de elementos finitos DD3IMP efetuou a simulação numérica de resultados. Para os dois carregamentos foi ainda feita uma comparação com carregamentos constantes para analisar possíveis semelhanças que podiam simplificar o estudo de carregamentos complexos. A importância do fecho de fenda também foi considerada neste estudo ao analisar numericamente os dois carregamentos complexos numa situação hipotética que se desprezou o contacto entre os flancos dos provetes CT. Também se testou a influência dos ciclos elásticos no padrão, comparando o carregamento principal com outro em que se considerou a omissão destes ciclos. Com este estudo, conclui-se que o fecho de fenda é um fator bastante importância para os carregamentos complexos com valores de amplitude elevados. Também se verificou que a omissão dos ciclos elásticos praticamente não tem influência na propagação da fenda por fadiga, simplificando a análise de carregamentos complexos.

Most mechanical components are subjected to cyclic or dynamic loads that can cause them to fail. Fatigue is the most common failure phenomenon in components exposed to these conditions. Therefore, to avoid failures with very serious consequences, it is important to design components for fatigue and predict their service life. Life prediction is usually studied based on the evolution of Fatigue Crack Growth (FCG) using the 𝑑𝑎/𝑑𝑁-Δ𝐾 curves. However, this approach has some limitations because the phenomena that occur at the crack tip are irreversible and operate in the plastic domain, while the stress intensity factor, Δ𝐾, is a purely elastic parameter. To overcome this limitation, other non-linear parameters have been proposed, one of which is the plastic Crack Tip Opening Displacement (CTOD), which will be discussed in this study to explain some phenomena that occur in fatigue crack propagation.The main objective of this thesis is to analyse the effect of variable amplitude loading on fatigue crack propagation, in Compact Tension (CT) specimens made from an AA2024-T351 alloy. This work focused on complex loading, so two real loads of trains passing over railway bridges were studied. The loads were filtered using the Rainflow method. The Finite Element Method (FEM) was used to solve the problem and the Finite Element program DD3IMP was used to simulate the results numerically. The two loads were also compared with constant loads to analyse possible similarities that could simplify the study of complex loads. The importance of crack closure was considered in this study by numerically analysing the two complex loads in a hypothetical situation where the contact between the flanks of the CT specimens was not considered. The influence of elastic cycles on the pattern was tested by comparing the main load with another one, in which these cycles were omitted.It was concluded from this study that crack closure is a very important factor for complex loads with high amplitude values. It was also found that the omission of elastic cycles has practically no effect on fatigue crack propagation, which is a simplification in the analysis of complex loads.