Numerical studies on fretting fatigue modelling

Abstract

Esse trabalho foi realizado no contexto de uma cooperação de pesquisa internacional entre a Universidade de Brasília, a Agência Espacial Brasileira (AEB), a ENS Paris-Saclay e o grupo SAFRAN. O principal objetivo desta cooperação é a investigação do fenômeno de fadiga por fretting, problema de contato associado a cargas de fadiga que é responsável por reduzir consideravelmente a vida em fadiga de componentes mecânicos devido às elevadas concentrações de tensão, o desgaste e as condições de carregamento não proporcionais envolvidas nestes problemas. Levando-se em consideração o elevado custo computacional presente quando avalia-se aplicações industriais, um dos objetivos deste trabalho é melhorar a performance de simulações de fretting através do uso de uma abordagem de enriquecimento. A ideia é aproveitar-se do fato de que os campos mecânicos ao redor das bordas de contato cilíndricos sob condições de fretting são similares aqueles encontrados nas proximidades da ponta da trinca em problemas de mecânica da fratura linear elástica. Essa semelhança torna atrativa a ideia de enriquecer simulações de fretting via elementos finitos fazendo-se o uso do X-FEM (Método dos Elementos Finitos Estendidos), que permite o uso de malhas mais grosseiras enquanto se mantém uma boa precisão dos resultados. Como será mostrado neste trabalho, fazendo-se o uso da técnica de enriquecimento é possível trabalhar com malhas até 10 vezes mais grosseiras quando comparadas com o método dos elementos finitos convencional, o que permite uma forte melhora na performance computacional. Esse trabalho também investigará a influência de se considerar os efeitos do desgaste na predição da vida em fadiga sob condições de fretting. Portanto, simulações de fretting via método dos elementos finitos foram conduzidas considerando a atualização das superfícies de contato devido a remoção de material e os resultados foram comparados com dados experimentais e simulações onde o efeito de desgaste é desprezado (hipótese simplificadora comumente adotada quando avalia-se problemas de fadiga por fretting). Critérios convencionais de fadiga multiaxial associados à Teoria das Distâncias Críticas foram utilizados a fim de estimar vida. Os resultados mostraram que, para os dados investigados, onde ensaios de fretting foram conduzidos em uma liga Ti-6Al-4V sob condições de escorregamento parcial, considerar o desgaste nas análises pode ligeiramente melhorar a precisão nas estimativas de vida. Entretanto, essa ligeira melhora pode não ser justificável ao se considerar os elevados custos computacionais quando comparado com abordagens padrões onde o efeito de desgaste é desprezado.