Desenvolvimento de uma metodologia para obtenção do perfil de tensões residuais com o uso do método do furo cego e de técnicas de otimização

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Corrêa, Fábio Junkes, 1987-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/72779
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Jucélio Tomás Pereira
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spelling Corrêa, Fábio Junkes, 1987-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaPereira, Jucélio Tomás, 1964-2022-01-13T18:23:01Z2022-01-13T18:23:01Z2020https://hdl.handle.net/1884/72779Orientador: Prof. Dr. Jucélio Tomás PereiraTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 07/10/2020Inclui referências: p. 127-137Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e VibraçõesResumo: As tensões residuais (TR) presentes em componentes mecânicos, estruturas e tubulações podem ser favoráveis ou prejudiciais, dependendo de sua magnitude, da forma e do local em que estiver presente. A previsão das TR indesejáveis pode evitar danos aos materiais. Assim, este trabalho tem como motivação prevenir que os materiais sofram falhas devido à TR com níveis significativos, as quais podem comprometer a sua resistência. Dentre os métodos semi-destrutivos para obtenção de TR, a técnica do furo cego agrega diversos benefícios como mobilidade do equipamento, possibilidade de aplicação em diversos materiais, praticidade em medir o alívio das deformações e baixo custo de execução. Conforme consta na norma ASTM E 837-13, o perfil de TR ao longo da espessura de uma peça pode ser aproximado por um conjunto de valores constantes em cada camada. Cada uma dessas camadas corresponde a um incremento de perfuração. Na metodologia proposta, com o intuito de obter um perfil de TR contínuo, um pequeno elemento de volume contendo a região de instalação da roseta é modelado pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). Considerando que o perfil de TR real não é conhecido, é construída uma aproximação composta por perfis de tensões induzidos devido à aplicação de carregamentos externos, definidos por funções unitárias, similar às funções de forma lineares. Definem-se fatores que são multiplicados pelos perfis de tensões, obtidos por MEF, com o propósito de aproximar ao perfil real de TR. Esses fatores podem ser associados às deformações obtidas via MEF através de uma combinação linear. Nesse modelo de elementos finitos, são aplicados carregamentos nas faces externas do elemento sólido e efetuados os furos no centro da sua superfície. Com isso, as deformações obtidas pelo modelo, na região de instalação dos extensômetros, são confrontadas com as deformações lidas nos extensômetros físicos. Na parte experimental, um dispositivo mecânico é construído, com o propósito de gerar um perfil linear de tensões devido à flexão de uma viga. Com a viga flexionada, as deformações relaxadas são lidas pelos extensômetros à medida que as perfurações incrementais são executadas. Antes de introduzir as deformações físicas no modelo, são aplicados métodos estatísticos, que avaliam como as respostas experimentais variam, permitindo analisar a sua variabilidade. Com as análises estatísticas processadas, são selecionados dados experimentais, conforme os critérios pré-estabelecidos. A diferença entre as deformações obtidas via MEF e as obtidas através de experimentos físicos gera um erro. Através de um método de otimização híbrida, combinando Algoritmos Genéticos e Programação Não-Linear, esse erro é minimizado com o propósito de encontrar os fatores, os quais possibilitam construir o perfil de TR. Os resultados dos perfis de TR obtidos com a metodologia proposta foram comparados com os resultados obtidos devido à aplicação método do furo cego modificado. Notou-se que as TR das curvas selecionadas ficaram muito próximas às tensões analíticas. Enquanto que no método do furo cego modificado, geralmente, o perfil de TR apresenta descontinuidades nas interfaces das camadas, na metodologia apresentada neste trabalho, o perfil de TR varia continuamente ao longo da profundidade do componente.Abstract: Residual stresses (RT) in mechanical components can be beneficial or harmful, depending on their magnitude, shape and location. Predicting undesirable RT can avoid flaws to materials. Thus, this work is motivated to prevent that the materials can flaw due to RT with high levels, which can implicate their mechanical resistance. Among the semi-destructive methods for RT determining, the blind hole technique aggregate many benefits as the equipment mobility, application possibility in different materials, practicality in strain relief measuring and low perform cost. As stated in the standard, the RT profile along the part thickness can be approximated by a constant value set in each layer. Each of these layers corresponds to a drilling increment. In the proposed methodology, in order to determine a continuous RT profile, a small volume element containing the rosette installation region is modeled by the Finite Element Method (FEM). Considering that the real RT profile is not known, it's built an approximation composed by induced stress profiles due to the external loads' application defined by unitary functions, similar to the linearly shaped functions. Factors are defined and multiplied by the RT profiles obtained by FEM, in order to approximate the real RT profile. These factors can be associated to the strains obtained by FEM through a linear combination. In this finite element model, the loads are applied in the solid element external faces and the holes are drilled in the its surface center. Thus, the strains obtained by the model in the extensometer's installation region are compared with the strains measure in the physical extensometers. In the experimental section, a mechanical apparatus is built, with the purpose generating a linear stress profile due to a beam bending. With the beam bending, relaxed strains are measure by the strain gauges as incremental drilling is performed. Before introducing the physical strains in the model, statistical methods are applied, which evaluate how the experimental responses vary, allowing to analyze their variability. With the processed statistical analysis, experimental data are selected, according to the established criteria. The difference between the strains obtained through the FEM and those obtained through physical experiments generate an error. Through a hybrid optimization method, combining Genetic Algorithm and Nonlinear Programming, this error is minimized in order to find the factors, which make possible to build the RT profile. The RT profiles results obtained with the proposed methodology were compared with the results obtained due to the modified blind hole method application. It was noted that the selected curves were very close to the analytical stresses. While that in the modified blind hole method, generally, the TR profile shows discontinuities in the layers' interfaces, in the methodology presented in this work, the RT profile vary continuously along the component depth.1 arquivo (203 p.) : PDF.application/pdfEngenharia MecânicaMecanica dos solidosTensoes residuaisMetodo dos elementos finitosDesenvolvimento de uma metodologia para obtenção do perfil de tensões residuais com o uso do método do furo cego e de técnicas de otimizaçãoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - FABIO JUNKES CORREA.pdfapplication/pdf61136748https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/72779/1/R%20-%20T%20-%20FABIO%20JUNKES%20CORREA.pdfd102a2ba190c39092ad148447f83bba0MD51open access1884/727792022-01-13 15:23:01.648open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/72779Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-01-13T18:23:01Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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