Metodologia de análise de fadiga multiaxial por elementos finitos com validação experimental : aplicação ao eixo da coluna de guindaste articulado

Abstract

Os guindastes articulados são equipamentos essenciais em diversos setores, como construção, agricultura e indústria de petróleo e gás, devido à sua versatilidade no manuseio de cargas. A evolução desses equipamentos foca em melhorar a capacidade de elevação, alcance e segurança, ao mesmo tempo em que busca otimizar o peso e a velocidade operacional. Esses equipamentos operam em condições desafiadoras, com ciclos repetitivos e altas cargas de impacto, tornando a resistência à fadiga um fator crítico no projeto das estruturas. A previsão acurada da vida em fadiga dessas estruturas é complexa devido à diversidade de condições operacionais. A previsão da vida em fadiga de estruturas como o eixo da coluna de um guindaste articulado é desafiadora, dada a variedade de condições operacionais envolvidas. O objetivo deste trabalho foi aplicar nessa estrutura uma metodologia baseada na abordagem S-N, combinando experimentação e simulação numérica para estimar a vida útil à fadiga do componente. Embora a abordagem ideal fosse a baseada em deformações (ε-N), sua aplicação exigiria o monitoramento direto da estrutura com extensômetros durante o teste de durabilidade. Optou-se pelo método S-N devido à predominância de deformações elásticas, à disponibilidade de dados experimentais e à compatibilidade com as ferramentas de simulação utilizadas. A análise permitiu a identificação das regiões críticas do eixo da coluna, evidenciando que a parte frontal concentrou os maiores índices de dano acumulado locais, com valor de 6,1807, enquanto a parte traseira apresentou um valor significativamente inferior, de 1,018. Esse resultado é atribuído à maior amplitude das tensões trativas na parte frontal. A multiaxialidade foi classificada como baixa, com predominância da interação entre tensões axiais e de cisalhamento. No entanto, em ambas as regiões, a principal característica observada foi a elevada amplitude de tensão. A comparação entre diferentes métodos de estimativa de fadiga revelou que o critério da Tensão Normal Escalonada no Plano Crítico foi o mais aproximado, apresentando erro absoluto em torno de 1,8% em relação aos resultados experimentais do teste de durabilidade. Em contraste, os métodos baseados em tensões equivalentes superestimaram o dano.

Articulated cranes are essential equipment in various sectors such as construction, agriculture, and the oil and gas industry due to their versatility in handling loads. The evolution of these machines focuses on improving lifting capacity, reach, and safety while also aiming to optimize weight and operational speed. These machines operate under challenging conditions, with repetitive cycles and high impact loads, making fatigue resistance a critical factor in the design of their structures. Accurate prediction of the fatigue life of these structures is complex due to the diversity of operating conditions. Predicting the fatigue life of structures such as the column shaft of an articulated crane is challenging, given the variety of operational scenarios involved. The objective of this work was to apply a methodology based on the S-N approach to this structure, combining experimentation and numerical simulation to estimate the component’s fatigue life. Although the ideal approach would be strain-based (ε-N), its application would require direct monitoring of the structure with strain gauges during the durability test. The S-N method was chosen due to the predominance of elastic strains, the availability of experimental data, and compatibility with the simulation tools used. The analysis allowed the identification of critical regions of the column shaft, showing that the front part concentrated the highest local accumulated damage index, with a value of 6.1807, while the rear part presented a significantly lower value of 1.018. This result is attributed to the greater amplitude of tensile stresses in the front part. Multiaxiality was classified as low, with a predominance of interaction between axial and shear stresses. However, in both regions, the main characteristic observed was the high stress amplitude. The comparison between different fatigue estimation methods revealed that the Stepped Normal Stress on the Critical Plane criterion was the closest, presenting an absolute error of around 1.8% relative to the experimental durability test results. In contrast, methods based on equivalent stresses overestimated the damage.