Análise de propagação de trincas por meio da mecânica da fratura

Este trabalho tem como objetivo o estudo de uma metodologia baseada na aplicação dos fundamentos da Mecânica da Fratura para a análise de propagação de trincas em componentes mecânicos sujeitos à fadiga, visando a estimativa do tempo, ou número de ciclos, que um componente estrutural dura submetido à ação de carregamento cíclico ou variável com o tempo. A metodologia foi dividida em duas etapas: a primeira corresponde à análise global linear elástica da estrutura sem a presença de trincas baseada no método de elementos finitos (MEF) ou no método de elementos de contorno (MEC); enquanto na segunda etapa introduz-se uma trinca na estrutura e a análise de propagação de trinca simulada por meio do MEC. Apresentam-se três aplicações, sendo que primeira considerou a propagação de trinca em uma placa tracionada axialmente, cujos resultados foram comparados com soluções disponíveis em manuais da Mecânica da Fratura. A segunda aplicação referiu-se a um corpo de prova compacto de tração de ferro fundido nodular austemperado, sendo os resultados comparados com resultados experimentais de tese de doutorado desenvolvida por DIAS (2006). Observou-se que os valores experimentais superaram os valores obtidos numericamente, com tendência de aumento da diferença à medida que a trinca se propaga. A terceira aplicação consistiu num estudo de caso de um eixo de mandril, que fraturou após onze anos e oito meses de trabalho. O número de ciclos estimado para a propagação no eixo do mandril, considerando carregamento cíclico de amplitude constante, foi comparado com a vida estimada considerando a regra linear de danos cumulativos de Miner. A metodologia apresentada e testada neste trabalho mostrou-se viável para a estimativa da propagação de trincas em componentes estruturais com base na fundamentação da Mecânica da Fratura.The aim of this work is to study a methodology based on the application of the Fracture Mechanics fundamentals to analyze the crack propagation in mechanical components subjected to fatigue in order to estimate the time, or the number of cycles, that these elements will endurance when subjected to cyclic or variable loading. The methodology was divided into two stages: the first corresponds to the global linear elastic analysis of the structure without the presence of cracks, based on the finite element method (FEM) or on boundary element method (BEM); on the second stage a crack is introduced in the structure and its propagation is carried out using BEM. Three cases are presented. In the first one, it was considered the crack propagation in a plate under remote tension, and the results were compared to values available in Fracture Mechanics manuals. The second case referred to an austempered nodular ductile iron compact test specimen in tension. The results were compared to those obtained experimentally by DIAS (2006) in his Ph.D. thesis. In the last case an analysis of a mandrel shaft that fractured after almost twelve years in service was conducted, considering a cyclic load of constant amplitude. The results were compared with the life estimated by the Miners linear rule of cumulative damage. The methodology presented and tested in this work was feasible for predicting crack propagation in structural elements