Modelação Numérica de Tensões Residuais de Origem Térmica

Abstract

Esta Tese de Mestrado tem como principais objectivos prever as tensões residuais de origem térmica e relacionar este tipo de tensões com a vida à fadiga das peças onde estas estejam presentes. Como tal, procedeu-se a um ensaio experimental onde duas peças (uma de alumínio e outra de aço), concentricamente dispostas, com uma diferença de diâmetros mínima, foram aquecidas desde a temperatura ambiente até 450ºC. Esta temperatura apenas faz variar as propriedades mecânicas e térmicas não se esperando, no entanto, alteração de fase em qualquer uma das peças. Durante o ciclo térmico, a dilatação da amostra de alumínio foi constrangida pelo aço, no qual este está concêntrico. Este constrangimento é devido, como será analisado mais adiante, ao inferior valor do coeficiente de dilatação térmica do aço, relativamente ao alumínio. Finalizado o ciclo térmico, procedeu-se à medição das tensões residuais provocadas no alumínio pelo aquecimento e pelo constrangimento do aço. Para a medição das tensões residuais recorreu-se à técnica do furo incremental que, apesar de ser uma técnica em parte destrutiva, é das mais utilizadas para o efeito.

Paralelamente a este processo experimental foi também desenvolvido um modelo numérico, recorrendo ao software Marc-Mentat 2010, desenvolvido pela MSC Software, ferramenta que recorre ao método dos elementos finitos. Este processo passou por várias fases: o desenho da geometria e malha das peças usadas no ensaio experimental, estabelecimento das condições iniciais e condições de fronteira, assim como das propriedades mecânicas e térmicas dos materiais em questão. Posteriormente, por processo iterativo, obtiveram-se as tensões residuais resultantes da simulação numérica.

Concluídos os processos numérico e experimental procedeu-se a uma análise da sensibilidade relativa às propriedades térmicas e mecânicas das peças. Afinados ambos os processos, de forma coerente, foi feita a comparação dos resultados. Por fim, quantificadas as tensões residuais de origem térmica, estudou-se a influência que estas têm na vida das peças à fadiga. Este estudo foi efectuado com o auxílio do programa de simulação Cosmos 2.0 e a algoritmo previamente desenvolvido pelo Prof. Ricardo Branco.

Abstract

This work has as main objectives to foresee the residual stresses of thermal origin, as well as to connect these types of stresses to fatigue lives of the parts where these are present. As such, an experimental test went along, in which two parts (an aluminum one and a steel one) were concentrically placed, with a minimum difference of diameters, and both were warmed up starting at the environmental temperature till 450ºC. This temperature only varies the thermal and mechanical features, and is not expected to produce phase changes. It should also be noticed that, during the thermal cycle, the dilatation of the sample of aluminum was constrained by the steel, in which this is concentric. This constraint is due, as referred ahead, to the inferior dilatation of the steel, compared to the aluminum. Once the thermal cycle was finished, the residual tensions were measured using the hole incremental technique. This is in a certain way a destructive technique, but it is widely used to this effect.

At the same time of this experimental process it was also developed a numeric model, using the software Marc-Mentat 2010, developed by MSC Software, a tool that uses the method of finite elements. This process went through several phases, namely the geometry design and meshing of the tools used along the experiment, the establishment of initial and boundary conditions, as well as the mechanical and thermal features of the materials referred. Afterwards, by an iterative process, the residual tensions were obtained, as a result of the numeric simulation. Completed the numeric and experimental processes, an analysis of the sensibility concerning the thermal and mechanical features went through. Tuned both processes, in a consistent way, the comparison of both results was made.

Lastly, after being quantified the residual tensions of thermal origin, the influence that they have in the life of the parts facing hardship was studied. This study was made with the help of the simulation program Cosmos 2.0 and the algorithm previously developed by Prof. Ricardo Branco.