Análise crítica de modelos de fadiga de plano crítico e proposta de uma nova medida de amplitude da tensão cisalhante

Abstract

Embora existam inúmeros modelos de fadiga disponíveis na literatura, ainda são necessárias pesquisas para melhorar a capacidade de predição dos mesmos, sobretudo na presença de carregamentos multiaxiais não-proporcionais e tensões médias superpostas. O tempo de processamento de análises de fadiga baseadas em modelos de elementos finitos também é um aspecto que precisa ser aprimorado. O objetivo deste trabalho é propor uma nova medida de amplitude da tensão cisalhante para modelos de fadiga de plano crítico. Essa medida é calculada a partir dos lados de uma única envoltória retangular associada à trajetória do vetor tensão cisalhante em um plano material. Essa definição é capaz de distinguir trajetórias proporcionais das não-proporcionais. Para avaliar a capacidade de predição da medida proposta, a mesma foi incorporada a um modelo modificado de Findley. A modificação consiste na introdução de um novo parâmetro que quantifica a sensibilidade do material à presença de tensões médias. As predições do modelo foram comparadas com aproximadamente 350 limites de resistência à fadiga de diferentes metais, sob vários tipos de carregamentos multiaxiais (fora-de-fase, assíncrono e não-harmônico) e níveis de tensão média superposta. Os erros do modelo ficaram dentro do intervalo (-39,9, 19,7)%. Verificou-se que a tensão de Mises era superior à tensão do escoamento em aproximadamente 15% dos ensaios. Quando esses ensaios foram excluídos da análise, os erros do modelo passaram a ficar dentro do intervalo (-18,2, 19,8)%. O custo computacional da nova medida é significativamente menor que o de outras propostas da literatura, e.g. Menor Circunferência Circunscrita (MCC), tornando viável a utilização de modelos de plano crítico em análises de fadiga baseadas no Método dos Elementos Finitos, mesmo quando a varredura dos planos materiais é realizada com incrementos de rotação pequenos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Although there are many fatigue models available in the literature, further research is still needed to improve their accuracy, mainly in the presence of non-proportional multiaxial loadings and superimposed mean stresses. The computational time of a nite element-based fatigue analysis also needs to be reduced. The aim of this work is to propose a new measure of shear stress amplitude for critical plane based fatigue models. Such a measure is de ned by means of a unique rectangular hull enclosing the shear stress vector path, and is capable to distinguish a proportional from a non-proportional path. To assess the proposed measure, it was incorporated into a modi ed Findley model. The modi cation consists in the introduction of a new pa- rameter which quanti es the material sensitivity to mean stresses. Model's predictions were compared with approximately 350 fatigue limits, generated under di erent types of multiaxial loadings (out-of-phase, asynchronous and non-harmonic) and levels of superimposed mean stress. Errors were found to lie within the interval (-39,9, 19,7)%. An additional analysis was carried out, where tests having Mises equivalent stress greater than the yield stress were excluded. In this case, errors fell within the interval (-18,2, 19,8)%. The processing time to compute the proposed measure is signi can- tly faster than the ones of others proposals available in the literature, e.g. Minimum Circumscribed Circle (MCC). This feature allows nite element-based fatigue analyses with critical plane models to be carried out with low computation e ort, even when the critical plane search is performed with small rotation increments.