Desenvolvimento de ferramenta numérica para propagação de fendas por fadiga usando software comercial

Abstract

O fenómeno de fadiga é uma das principais causas de falha dos componentes mecânicos sujeitos a cargas cíclicas. Este fenómeno engloba três fases principais: nucleação e iniciação de fenda, propagação estável de fenda, e rotura final. Sendo um fenómeno bastante complexo e dependente de inúmeras variáveis, muita da investigação desenvolvida centra-se apenas numa das fases mencionadas. Este trabalho foca-se na fase de propagação estável de fenda. Por outro lado, devido ao crescente aumento das velocidades de processamento dos computadores da atualidade, a aplicação de métodos numéricos avançados, nomeadamente o Método dos Elementos Finitos, tem-se revelado muito eficaz no desenvolvimento de ferramentas fiáveis para estimar o tempo de serviço dos componentes suscetíveis de falhar por fadiga. Uma das abordagens numéricas mais eficientes é conhecida por técnica de remalhagem adaptativa. Contudo, esta técnica requer um conjunto muito específico de sub-rotinas, relativamente complexas, que não se encontram disponíveis nos principais softwares generalistas de elementos finitos. Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma ferramenta numérica que interaja com softwares comerciais de elementos finitos e que permita estudar fenómenos de propagação de fendas por fadiga de forma amigável para o utilizador. A ferramenta desenvolvida implementa um procedimento de propagação automática de fenda, baseado na técnica de remalhagem adaptativa, compatível, nesta fase, com o software comercial de elementos finitos ABAQUS. Esta aplicação informática cria um modelo tridimensional de elementos finitos; obtém o campo de deslocamentos da peça fissurada; calcula os avanços nodais da frente de fenda aplicando curvas da/dN-K; e, por fim, define uma nova frente de fenda usando funções cubic spline. Após o desenvolvimento do procedimento, procede-se à validação dos resultados numéricos, comparando-os com resultados experimentais obtidos para condições idênticas de propagação. Finalmente, o procedimento numérico é usado para estudar o efeito de diferentes variáveis (i.e. forma inicial de fenda, espessura, e expoente da lei de Paris) na evolução da forma da fenda; nos fatores de intensidade de tensão; e na vida de fadiga.

Fatigue phenomenon is a major cause of failure in mechanical components subject to cyclic loading. This phenomenon involves three main stages: crack nucleation and crack initiation, stable crack growth, and final fracture. It is a very complex phenomenon and depends on many variables. Due to this fact, much research is focused on only a single stage. This work is devoted to stable crack growth. Moreover, due to the high processing capacity of today's computers, the application of advanced numerical methods, in particular finite element method, has proved to be very effective in the development of reliable tools to predict the lifetime of components susceptible to fatigue failure. One of the most efficient numerical approaches is the adaptive re-meshing technique. However, this technique requires a set of specific subroutines, relatively complex, which are not available in the commercial finite element packages. The main objective of this work is to develop a user-friendly numerical tool able to interact with commercial finite element software and able to address fatigue crack growth problems. The tool developed implements an automatic procedure based on an adaptive re-meshing technique, compatible, at this stage, with the ABAQUS finite element software. It consists of five main steps: development of a three-dimensional finite element model; calculation of the displacement field of the body; determination of the nodal advances along the crack front applying da/dN-K curves; and, finally, definition of a new crack front using cubic spline functions. After the development of the procedure, the numerical results are compared with those obtained experimentally, for validation purposes. Finally, the numerical procedure is used to study the effect of different variables (i.e. initial crack shape, thickness, and exponent of Paris law) on crack shape evolution; stress intensity factors; and fatigue life.