Uma proposta de metodologia para simulação nu-mérica de propagação de fenda por fadiga em provete normalizado através do programa computacional Abaqus®

Abstract

De forma a evitar falhas estruturais, a integridade dos componentes é avaliada através de uma área de grande importância na engenharia: a Mecânica da Fratura. No fundo, trata de investigar a resis-tência à fratura dos materiais, tendo em conta, quando é necessário, o estudo da fadiga. Um dos parâ-metros que torna possível caracterizar a resistência à fratura do material em estudo é o Fator de Intensi-dade de Tensão (𝐾). Uma das formas de avaliar a resistência à fratura de componente pelo Fator de Intensidade de Tensão é através de métodos computacionais, que permitem obter resultados precisos de forma bastante eficiente. No presente trabalho o principal objetivo é simular o comportamento mecânico de um provete CT fabricado no material AISI 316L, através de ensaios de tenacidade à fratura e de um ensaio à fadiga, no software Abaqus® utilizando o método XFEM. Tendo em conta as propriedades do material, foi construído um modelo para cada ensaio, tendo sido possível observar a direção da propagação da fenda e retirados os valores de 𝐾𝐼, 𝐾𝐼𝐼 e 𝐾𝐼𝐼𝐼. Desta forma, foram realizados três ensaios de tenacidade à fratura: em Modo I puro, em Modo II puro e em Modo misto plano de carregamento (I+II). O carregamento aplicado no ensaio de fadiga foi em Modo I puro. Com os resultados numéricos obtidos, foi feita uma comparação com os valores analíticos e foi avaliada a metodologia utilizada em cada ensaio. Relativamente aos valores numéricos de 𝐾𝐼, verificou-se uma grande precisão comparativa-mente aos analíticos, sendo que o erro mais elevado foi de 6.77%, registado quando a fenda já se en-contra com um comprimento próximo ao total do comprimento útil do provete, onde a fenda se propaga, com valores de 𝐾𝐼 consideravelmente altos. Devido a falta de estudos realizados a provetes em Modo II puro e em Modo misto plano de carregamento, não houve forma de comparar os resultados obtidos para 𝐾𝐼𝐼 e 𝐾𝐼𝐼𝐼. No ensaio de propagação da fenda por fadiga, analisado através da Lei de Paris, para além de observar a direção da propagação da fenda e de retirar os valores numéricos de 𝐾𝐼, foi também analisado o crescimento da fenda em relação ao número de ciclos efetuados. Verificou-se que o refinamento da malha de elementos finitos gerada tem grande impacto nos resultados obtidos.

In order to avoid structural failure, the integrity of components is evaluated through an area of great importance in engineering: Fracture Mechanics. Basically, it is about investigating the fracture toughness of materials, taking into account, when necessary, the study of fatigue. One of the parameters that make it possible to characterize the fracture toughness of the material under study is the Stress Intensity Factor (K). One of the ways to evaluate the fracture resistance of a component by the Stress Intensity Factor is through computational methods, which allow obtaining accurate results in a very efficient way. In this work the main objective is to simulate the mechanical behavior of a CT specimen made of AISI 316L material, through fracture toughness tests and a fatigue test, in Abaqus® using the XFEM method. Taking into account the material properties, a model was built for each test, and it was possible to observe the crack propagation direction and to extract the values of 𝐾𝐼, 𝐾𝐼𝐼 and 𝐾𝐼𝐼𝐼. Thus, three fracture toughness tests were performed: in pure Mode I, in pure Mode II, and in mixed plain loading Mode (I+II). The loading applied in the fatigue test was in pure Mode I. With the numerical results obtained, a comparison was made with the analytical values and the methodology used in each test was evaluated. The numerical values of 𝐾𝐼 were very accurate compared to the analytical ones, and the highest error was 6.77%, recorded when the crack is already close to the total length of the specimen, where the crack propagates, with 𝐾𝐼 values considerably high. Due to the lack of studies performed on specimens in pure Mode II and in mixed Mode loading plan, there was no way to compare the results obtained for 𝐾𝐼𝐼 and 𝐾𝐼𝐼𝐼. In the fatigue crack propagation test, analyzed using the Paris Law, in addition to observing the direction of the crack when propagating and taking the numerical values of 𝐾𝐼, the crack growth was also analyzed in relation to the number of cycles performed. It was verified that the refinement of the finite element mesh has a great impact on the results obtained.