Modelagem de fenômenos de fadiga em materiais quase frágeis heterogêneos utilizando uma versão do método de elementos discretos formados por barras

Abstract

Em diversos segmentos da indústria, critérios de fadiga foram incorporados às metodologias de projeto mecânico em nome da confiabilidade e eficiência estrutural. É sabido que o problema de fadiga em metais é crítico para o projeto de componentes deste material, já que a maioria dos colapsos em engenharia está associada a patologias envolvendo este fenômeno. Isto faz com que haja grande quantidade de estudos, técnicas e informações dedicadas a este tipo de material. No entanto, no caso de materiais quase frágeis como concreto, rochas cerâmicas e alguns tipos de materiais compostos, os efeitos produzidos pela fadiga mecânica nesta classe de materiais são menos conhecidos e aparentemente também menos críticos. Neste contexto, no presente trabalho utiliza-se uma versão do Método de Elementos Discretos (DEM) formado por barras para simular diversos fenômenos de fadiga em materiais quase frágeis heterogêneos. Nos estudos apresentados envolvendo a propagação subcrítica de fissuras devido à fadiga, a aplicação desta versão da ferramenta numérica é pioneira. Duas novas leis constitutivas foram desenvolvidas, e se propõe uma metodologia simples de análise da anisotropia do dano, baseada nas propriedades geométricas do modelo. Os estudos realizados compreendem: a propagação subcrítica de uma trinca pré nucleada empregando diferentes leis constitutivas, onde se verifica o comportamento previsto pela Lei de Paris; a vida em fadiga e o dano em material heterogêneo, verificando concordância entre características produzidas pelo caráter estatístico do modelo e características fundamentais que a bibliografia descreve para este tipo de material; o emprego da técnica de Emissão Acústica para a caracterização do modo de falha do modelo, obtendo resultados compatíveis ao estado de tensões aplicado; o efeito de sobrecargas no carregamento cíclico sobre a propagação subcrítica de uma trinca, onde se verifica interações entre a dissipação energética e retardos na velocidade de propagação; e as características do dano e vida em fadiga mediante carregamentos multiaxiais proporcionais e não proporcionais, onde se analisa a influência do tipo de carregamento na relação entre dissipação energética e vida em fadiga.

In several segments of industry, fatigue criteria were incorporated into mechanical design methodologies in the name of reliability and structural efficiency. It is known that the fatigue problem in metals is critical for designing components of such material, since most collapses of engineering structures are due to fatigue related pathologies. For such reason, there is a great amount of fatigue studies, techniques and information dedicated to metals. However, when it comes to quasi brittle materials such as concrete, rocks, ceramics and some kinds of composites, the effects of mechanical fatigue in this class of materials are less known, and apparently, also less critical. In this context, in the present work a version of the Discrete Elements Method (DEM) formed by beams is employed for simulating several fatigue related phenomena in quasi brittle heterogeneous materials. In the studies here presented, involving subcritical fatigue crack growth, the use of this numerical tool is pioneer. Two new constitutive laws were developed, and a simple methodology, based on the geometric characteristics the model, is proposed for analyzing damage anisotropy. The studies carried out include: the subcritical propagation of a pre-nucleated crack when applying different constitutive laws, where the behavior predicted by Paris Law is verified; the fatigue life and damage development on heterogeneous material, verifying similarities between characteristics produced by the statistical property of the model and the main characteristics described on bibliography for this kind of material; the employment of Acoustic Emission technique for characterizing the model’s mode of failure, where obtained results are compatible with the applied state of stresses; the effect of sporadic overloads on cyclic loading over the subcritical growth of a crack, where interactions between energy dissipation and crack growth retardation are verified; and the characteristics of fatigue life and damage under multiaxial loading, where the influence of proportional and non-proportional loadings over the relationship between energy dissipation and fatigue life is analyzed.