Análise do processo de dano com a técnica de emissão acústica e métodos discretos

Abstract

Os materiais quase-frágeis se caracterizam por colapsarem devido a microfissuras que evoluem até a nucleação de uma fissura principal. Como exemplos, pode-se citar cerâmicas, rochas, concreto, entre outros compósitos. Estes materiais têm sido utilizados desde as primeiras civilizações e, em setores como o da construção civil, continuam sendo extensivamente empregados. Atualmente, essa classe de materiais também aparece em aplicações de alto desempenho, onde se busca aproveitar características como issolamento térmico e excelentes propriedades de acoplamento eletromagnético-mecânico. Apesar desses materiais possuírem uma baixa relação de resistência tração/compressão, na ordem de aproximadamente 1/10, a sua tenasidade pode ser melhorada induzindo uma microestrutura que dificulta a propagação de fissuras. O processo de dano deste tipo de material é governado pela descontinuidade das rupturas parciais que ocorrem dentro do material. Em casos como este, técnicas como a de emissão acústica são muito adequadas para investigar o processo de dano. No presente trabalho, o processo de dano em materiais quase-frágeis é analisado para diversas estruturas/materiais através de ensaios e/ou simulações. Para tanto, foram utilizadas análises com o auxílio de emissão acústica, e o processo de simulação empregou uma versão aprimorada do método dos elementos discretos aplicando técnicas de processamento em paralelo. Nesse método, o material é modelado como um arranjo de massas unidas por elementos com rigidez equivalente às do domínio representado. No presente trabalho são descritas: (i) as implementações computacionais relacionadas à versão do método dos elementos discretos; (ii) o tratamento dos dados de emisssão acústica; e (iii) o processo de simulação e aquisição experimental de dados. Diversas aplicações são analisadas, dando-se ênfase às facilidades introduzidas com as novas implementações e também na computação dos dados experimentais. Também é discutido como esses dados podem ser complementados com resultados de simulações realizadas com o método dos elementos discretos. Como principal conclusão, destaca-se a vantagem da metodologia utilizada para avaliar o processo de dano nesta classe de materiais.

Quasi-fragile materials are characterized by collapsing due to micro-cracks that evolve to the nucleation of the main crack. As examples, one can mention ceramics, rocks, concrete, among other compounds. These materials have been used since the first civilizations and, in sectors such as civil construction, they continue to be largely employed. Currently, this class of materials also appears in high-performance applications, where it is desirable to take advantage of characteristics such as thermal insulation and excellent electromagnetic-mechanical coupling properties. Although these materials have a low tensile/compression strength ratio, approximately 1/10, their toughness can be improved by inducing a microstructure that hinders crack propagation. The damage mechanism of this type of material is ruled by the discontinuity of partial fractures that occur within the material. In scenarios like this, techniques such as acoustic emission are very suitable for investigating material damage. In the present work, the damage process in quasi-fragile materials is analyzed in different structures/materials through tests and/or simulations. Therefore, analyzes with the aid of acoustic emission were used, and the simulation process employed the discrete elements method enhanced with CPU parallelism. In this method, the material is modeled as an arrangement of masses joined by elements with a stiffness equivalent to one of the represented domain. The present work exposes: (i) the implementation of a simulation program using the discrete elements method; (ii) the data treatment process for acoustic emission tests; and (iii) the proccess of simulation and data acquisition. Furthermore, a discution regarding the possibility of complementing these results using the discrete elements method is conducted. As the main conclusion of the present work, it is highlighted the superiority of the methodology used herein to evaluate the damage process in this type of material.