Previsão da Vida de Propagação à Fadiga

Abstract

A fadiga é responsável pela maioria das falhas em componentes e estruturas solicitadas ciclicamente. Este dano dos materiais compreende as fases de iniciação e de propagação de fenda. No âmbito da propagação, o fenómeno de fecho de fenda é um mecanismo extrínseco que consiste no contacto das faces da fenda, o que tem um efeito protector sobre a extremidade da fenda, melhorando a resistência à fadiga. O fecho de fenda induzido por deformação plástica (PICC), está intimamente ligado com a deformação monótona (promovida pela carga máxima do ciclo de carga, Kmax), e a deformação inversa (promovida pela gama de carga, K), que acontecem na extremidade da fenda durante o carregamento e descarregamento, respectivamente. . Este estudo centra-se no fecho de fenda induzido por deformação plástica (PICC). O objectivo principal do presente estudo numérico é a previsão de valores fiáveis do PICC, em materiais metálicos, pela influência que vão ter na Previsão da Vida de Propagação à Fadiga. Pretende-se melhorar a compreensão dos mecanismos subjacentes ao PICC, particularmente a geração da onda plástica residual. Propõe-se estabelecer uma correlação entre o parâmetro yp (deformação plástica vertical perpendicular ao flanco da fenda) e o nível de fecho. Considerando que yp é o parâmetro que controla o efeito do campo plástico residual no nível de fecho, desenvolve-se um modelo empírico de previsão do nível de fecho de fenda induzido por deformação plástica (PICC). Além disso, estuda-se o efeito dos parâmetros numéricos, nomeadamente a malha de elementos finitos; a propagação necessária para estabilização; o número de ciclos de carga entre propagações e o parâmetro numérico utilizado para quantificar o nível de fecho. Os modelos numéricos apresentam um comportamento transiente no início da propagação, que tem a ver com a formação da onda plástica residual. Pretende-se quantificar e compreender a propagação mínima, Δastb, necessária para obter valores de fecho de fenda estabilizados. São propostas duas estratégias para acelerar a estabilização. Desenvolve-se um estudo aprofundado do Método das Forças de Contacto ao longo dos flancos da fenda para a análise do fecho de fenda induzido por deformação plástica (PICC). Faz-se ainda uma Análise da Sensibilidade. Finalmente, estuda-se o efeito de diferentes parâmetros físicos no nível de fecho de fenda. Desenvolve-se um modelo para quantificar o efeito dos parâmetros de carga no fecho de fenda induzido por deformação plástica (baseado em Kmax e K). Faz-se um estudo aprofundado do efeito de Sobrecargas, procurando compreender os mecanismos subjacentes às variações observadas. De salientar que as sobrecargas podem ser utilizadas para prolongar a vida de fadiga. Resultados experimentais da literatura permitem constatar que o modelo de previsão, que liga a deformação plástica residual ao nível de fecho de fenda, e o modelo para quantificar o efeito dos parâmetros de carga no PICC, baseado em Kmax e K, apresentam resultados muito interessantes. O factor de intensidade de tensões controla os parâmetros não lineares de extremidade da fenda. O contacto dos flancos da fenda, isto é, o PICC, tem uma grande influência nos parâmetros não lineares de extremidade de fenda, que é suposto controlarem a propagação de fenda. O contacto decresce os valores dos diferentes parâmetros não lineares. De acordo com o conceito de fecho de fenda, a lei de Paris deve ser modificada, substituindo a gama do factor de intensidade de tensão K, pelo seu valor efectivo Kef: Verificou-se que o melhor parâmetro numérico para quantificação do nível de fecho, foi o obtido com a análise da compliance remota. O Fecho de fenda melhora a vida de propagação à Fadiga.

Fatigue is responsible for most failures in cyclically requested components and structures. The Plasticity Induced Crack Closure (PICC) is closely linked with the monotonic deformation (promoted by Kmax), and the reversed deformation (promoted by K), occurring at crack tip, during loading and unloading, respectively. The PICC promotes crack flank contact, which is expected to have a crack tip protective effect, improving the fatigue resistance. This study focuses on the Plasticity Induced Crack Closure (PICC). The aim of our numerical study is to predict reliable values of PICC in metallic materials for the influence that they will have on Prediction of fatigue crack growth life. It is intended to improve the understanding of the underlying mechanisms of PICC, particularly the generation of residual plastic wave. It is proposed to establish a correlation between the parameter yp (integration of the vertical plastic deformation p,yy, perpendicular to the Crack flank) and the closure level. An empirical model for the forecast of Plasticity Induced Crack Closure (PICC) is developed, considering that yp is the parameter that controls the residual plastic field effect on the closure level. A transient behaviour is observed in the numerical analysis of plasticity induced crack closure at the beginning of crack propagation, as the residual plastic field is being formed. It is intended to quantify and understand the minimum propagation, Δastb, required to obtain stabilized crack closure values. Two strategies are proposed to accelerate the stabilization. An in-depth study of the Contact Force Method along the crack flank is developed for the Plasticity Induced Crack Closure (PICC) analysis. Sensitivity Analysis is also developed. A model is developed to quantify the effect of loading parameters on the Plasticity Induced Crack Closure (based on Kmax and K). An in-depth study of Overloads is performed to understand the basic mechanisms of load variations. The numerical parameters effect is studied: the finite element mesh; propagation required for stabilization; the number of cycles between propagations; and numeric closed parameters. The physical parameters effect is studied: material hardening; strain state and load parameters. The experimental results show that the forecast model, which connects the residual plastic deformation to the Crack Closure level, and the model to quantify the effect of the load parameters on the PICC, based on Kmax and K, present very interesting results. The stress intensity factor controls the nonlinear Crack tip parameters. The contact of the crack flanks, the PICC, has a large influence on the non-linear crack tip parameters, which are supposed to control the crack propagation. The contact decreases the values of the different non-linear parameters. According to the crack closure concept, the Paris law must be modified by replacing the stress intensity factor range K by its effective value Kef. It was verified that the best numerical parameter for quantification the closure level, was obtained with remote compliance analysis. Crack closure improves the fatigue life.