A critical review on multiaxial fatigue models
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| Data de Publicação: | 2021 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10400.21/14007 |
Resumo: | Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica |
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A critical review on multiaxial fatigue modelsMultiaxial fatigueCritical planeStress Scale Factor (SSF)Damage parameterFatigue lifeFadiga multiaxialModelos do plano críticoParâmetro de danoVida à fadigaTrabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia MecânicaMost failures in structures mechanical components happen due to fracture and fatigue, which means that mechanical design engineers need to understand the physical phenomena behind these failures. An important aspect that remains to be fully understood is the influence of loading type on the materials fatigue strength. Proportional and nonproportional loads result in different fatigue lives, even when it is applied the same loading amplitudes in both loading conditions. Also, within proportional loads, it can be obtained different fatigue lives according to the ratio between shear and normal stresses. These aspects have been studied over the recent decades and many models have been proposed in literature to overcome these issues, however, a universal model to estimate fatigue strength of materials considering loading effects remains to be reached. In this dissertation, a literature review was carried out focusing on multiaxial fatigue topics, i.e., the review started with the phenomenological characterization of fatigue, passing through critical plane models, cycle counting methods, and ending in fatigue damage monitoring. During the literature review, the stress scale factor (SSF) model, an equivalent shear stress model, raised relevant questions which were studied in the following chapters. This study was conducted using multiaxial fatigue data of the high strength steel 42CrMo4 obtained from literature. These data were originally evaluated and computed at 0° for five multiaxial loading paths, and in this study the analysis was extended to other plane orientations starting from -90° to 90°. The research hypothesis was motivated by the existence of a plan whose orientation would simplify the assessment of the SSF damage map. The ultimate goal would be to estimate SSF damage map based on parameters obtained with simple tests. The actual method to determine the SSF damage map is based on Datafit, a commercial software that contains huge set of multivariable function used to perform regressions of experimental data. To facilitate the regression for a wide range of plane orientations an alternative method to determine the SSF damage map was developed to be later implement in a programming routine. The findings obtained demonstrated that in fact the damage scale does vary with the plane orientation. With regard to the plane in which the damage map was evaluated, i.e., crack initiation plane at -16° obtained with PP45 loading path, the results demonstrated that a good fatigue life results can be estimated from another plane orientation rather than 0°. Moreover, the results of the critical plane models estimate for the orientation of the crack initiation plane at -16° showed some good correlations except the SWT model. Lastly, the new method developed to estimate the SSF damage map was used to estimate the SSF damage map in the plane oriented at -16°, the results obtained were not satisfactory when compared with the result obtained with the SSF damage map estimated using the commercial software Datafit. However, for 0° orientation, the proposed method yields a quite good SSF damage map which predicts fatigue life results better than those obtained using the SSF damage map obtained with Datafit at 0°.Durante o século 21 várias catástrofes aconteceram envolvendo componentes mecânicos submetidos a determinados níveis de tensões. Essas catástrofes impulsionaram a investigação e o desenvolvimento de tecnologias mais avançadas de modos a garantir o bom funcionamento e a integridade dos componentes mecânicos durante o seu tempo de vida. De realçar que falhas nos componentes mecânicos causam vários prejuízos entre eles prejuízos económicos para empresas ou países, prejuízos ambientais e em muitas situações também podem ceifar vidas humanas, por esse motivo é de extrema importância que os engenheiros percebam o comportamento dos componentes mecânicos quando submetidos a tensões constantes ou cíclicas. Sabendo o comportamento mecânico dos materiais permite que os engenheiros ou outros especialistas envolvidos saibam com rigor quando determinado componente ou sistema precisa ser substituído ou precisa apenas de manutenção. A maioria das falhas dos componentes mecânicos tem como causa principal a fadiga ou fratura, o que quer dizer que esses conceitos devem ser percebidos muito bem e também quer dizer que os engenheiros responsáveis pelo design dos componentes mecânicos devem considerar deformações plásticas em todas as fases do design isso porque muitos componentes falham por causa de determinadas características relacionadas ao design. Por exemplo, pontas afiadas, zonas com descontinuidade geométricas acentuadas, entalhes com zonas de grande concentração de tensão, o que pode contribuir para o aumento da possibilidade de o componente vir a falhar. Portanto, o conhecimento do comportamento dos componentes mecânicos quando submetidos a carregamentos de diferentes naturezas é de extrema importância para se saber quantificar com rigor o dano que o componente pode suportar evitando deste modo falha do mesmo componente. Nesse trabalho foi realizada uma revisão da literatura concernente a fadiga multiaxial. Na revisão da literatura foram abordados aspetos como: noções fundamentais sobre fadiga, modelos do plano critico, métodos de contagem de ciclos, método de dano acumulado mais utilizado, a Regra de Miner, e previsão de vida á fadiga. Da revisão da literatura, o modelo de fadiga multiaxial Stress Scale Factor (SSF) foi utilizado para se explorar a existência de outros planos onde o mapa de dano SSF possa ser avaliado. Para finalizar modelo SSF foi utilizado para estimar a vida à fadiga usando mapa de dano SSF obtido no Datafit e o mapa de dano obtido por um método alternativo proposto nesta tese. Para se efetuar esse estudo, resultados experimentais em fadiga do aço 42CrMo4 submetido a cinco diferentes carregamentos proporcionais nomeadamente tensão pura (PT), corte puro (PS), e três carregamentos proporcionais com diferentes amplitudes de tensão foram obtidos da literatura. Os resultados experimentais de fadiga obtidos da literatura foram avaliados para o plano 0°, com esse estudo pretende-se estender a análise para outros planos começando de -90° até 90°. Para cada um dos planos de -90° até 90° foi estimado a respetiva tensão normal e tensão de corte, com os valores das tensões estimadas juntamente com o carregamento de referência (corte puro) calculou-se o SSF para cada plano. Os valores estimados do parâmetro de dano SSF juntamente com as suas respetivas orientações foram representadas graficamente de modos a perceber o comportamento do parâmetro de dano SSF com a variação da orientação. Da literatura obteve-se resultados experimentais da orientação do plano critico (-16°) do aço 42CrMo4 sujeito ao carregamento proporcional PP45. Nesse trabalhou, avaliou-se o mapa de dano SSF para orientação do plano critico (-16°) usando o software Datafit. Posteriormente os modelos do plano crítico (com uma tensão normal de 435MPa) foram utilizados para estimar o ângulo de iniciação de fenda e compará-los com resultado obtido da literatura. Para se identificar o ângulo do plano crítico, foi estimado o parâmetro de dano para cada plano começando de -90° até 90°, e finalmente o parâmetro de dano obtido para cada um dos modelos, nomeadamente SWT, Brown-Miller, Fatemi-Socie e Liu,foram representados graficamente juntamente com a respetivo plano. Datafit possui uma base de dados com número elevado de funções usadas na regressão dos resultados experimentais de forma a obter o mapa de dano SSF, no entanto surge a dúvida de que possa haver uma outra função fora da base de dados do Datafit que possa levar a superficies de dano SSF mais fáceis de usar e com melhores estimativas, partindo desta hipótese o presente trabalho termina com a apresentação de uma metodologia alternativa ao Datafit para se determinar a superfície de dano SSF, esta metodologia alternativa usa polinómios do terceiro grau para modelar o SSF. A modelação SSF da metodologia proposta foi implementada usando Microsoft Excel. Os resultados do parâmetro de dano SSF em relação a variação do respetivo plano de avaliação, demonstraram que de facto o parâmetro de dano varia com a variação do ângulo, sendo este resultado uma das causas que justificam os maus resultados dos modelos de previsão da vida à fadiga. Relativamente a superfície de dano correspondente a orientação do plano critico (-16°), foi possível obter um mapa de dano SSF com 2 mais próximo de 1 do que o mapa de dano a 0° obtido da literatura, isso quer dizer que de facto existem outras orientações possíveis de prever mapa de dano que representa bem o comportamento do fenómeno de fadiga e consequentemente estimam bons resultados de vida à fadiga. Quanto ao resultado obtido pelos modelos do plano critico, verificou-se que os modelos de fadiga multiaxial que são mais sensíveis iniciação dominada pelo corte, Fatemi-Socie e Brown-Miller, produziram bons resultados o que era expectável por causa do material utilizado, aço 42CrMo4 considerado um material dúctil cujo crescimento da fenda é dominado pelo corte. Com o modelo Liu, combinação de Liu1 e Liu2, também foi possível obter boa estimativa do ângulo de iniciação de fenda. Finalmente, o modelo SWT produziu ângulo do plano critico muito diferente do resultado experimental, o que também é esperado visto que o modelo SWT a iniciação é dominada pela tensão normal. Finalmente, os resultados do mapa de dano SSF para a orientação do plano critico obtido usando a metodologia proposta apresentaram resultados não muito satisfatórios comparados com o mapa de dano SSF obtido a partir do Datafit. O mapa de dano SSF do método alternativo apresentou uma evolução que não corresponde com o fenómeno físico da fadiga. Mas, para 0° o mapa de dano SSF estimado a partir da metodologia proposta previu bons resultados quando comparado com o mapa de dano SSF obtido usando o Datafit para a mesma orientação. Relativamente à vida à fadiga usando o mapa de dano SSF a 0° obtido através metodologia proposta foi possível estimar melhores resultados do que usando mapa de dano SSF a 0° obtido pelo Datafit, com base neste resultado chegou-se a conclusão que podem existir outras funções fora da base de dados do Datafit que produzem melhores estimativas de vida à fadiga e que ao invés de dependermos de um software pago podemos obter boas estimavas do mapa de dano SSF usando a metodologia alternativa o que requer apenas bons conhecimento de Microsoft Excel. Com a realização desta dissertação foi possível verificar que usando o modelo de fadiga multiaxial SSF pode-se estimar bons resultados de vida à fadiga.Instituto Superior de Engenharia de LisboaAnes, Vitor Manuel RodriguesRCIPLPaca, Francisco João Bumba2021-11-15T15:17:38Z2021-072021-07-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/14007TID:202787427engPACA, Francisco João Bumba – A critical review on multiaxial fatigue models. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2021. Dissertação de Mestrado.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-08-03T10:09:36Zoai:repositorio.ipl.pt:10400.21/14007Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:21:53.548980Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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