O método da partição em sólidos multi-fraturados: fraturas em modos mistos e problemas de fadiga

The design of complex structures demands the prediction of possible fracture-dominant failure processes, due to the existence of unavoidable preexistent flaws and other defects, as well as sharps and cracks. On one hand, the complexity of the structure and the presence of many defects to be accounted for in the modeling can become the computational effort impracticable. On the other hand, it is important to seek the development of a computational framework based on some numerical method to study these problems. A way to overcome the difficulties mentioned, therefore making feasible the analysis of complex structures with many cracks, flaws and other defects, consists of combining a representative mechanical modeling with an efficient numerical method. This is precisely the fundamental aim of this work. Firstly, the Splitting Method is used aiming to build a representative modeling. Secondly, the Generalized Finite Element Method (GFEM) is chosen as an efficient numerical method, in which enrichment strategies of the approximated solution using stress functions in particular can be explored. The GFEM framework also allows avoiding the excessive refinement of the mesh, which increases the computational effort in conventional finite element analysis. In the Splitting Method, a kind of decomposition method, the original problem is subdivided in local and global problems which are then combined by imposing null traction at the crack surfaces. In this work, the Splitting Method was completely programmed in Python language and its use extended to analyze crack propagation including fatigue crack growth. The generated code presents in addition to several features related to Fracture Mechanics concepts, as the computation of the stress intensity factor (mode I and II) trough J Integral. Some examples are presented to depict the propagation of the cracks in multisite damage structures. It is shown that for this kind of problems the enrichment strategy provided by GFEM is essential. Moreover, the final example demonstrates that the computational tool allows for investigation of different possible crack scenarios with a low cost analysis. One concludes about the representativeness and efficiency of the methodology hereby proposed.O projeto de estruturas complexas demanda a previsão de possíveis processos de ruptura governados por fraturamento, devido à existência de inevitáveis defeitos pré-existentes, como entalhes e fissuras. Por um lado, a complexidade da estrutura e a presença de muitos defeitos a serem considerados no modelo podem tornar a análise inviável devido ao esforço computacional necessário. Por outro lado, é importante procurar desenvolver uma estrutura computacional baseada em métodos numéricos para estudar estes problemas. Um modo de superar as dificuldades mencionadas, portanto tornando possível a análise de estruturas complexas com muitas fissuras e outros defeitos, consiste em combinar um modelo mecânico que seja representativo com um método numérico eficiente. Este é precisamente o objetivo fundamental deste trabalho. Primeiramente, o Método da Partição é utilizado para a construção de um modelo representativo. Em segundo lugar, o Método dos Elementos Finitos Generalizados (GFEM) é empregado por ser um método numérico eficiente, no qual as estratégias de enriquecimento da solução aproximada usando funções de tensão, em particular, podem ser exploradas. A estrutura do GFEM também permite evitar o excessivo refinamento da malha, que aumenta o esforço computacional em análises convencionais nas quais se utiliza o método dos elementos finitos. No Método da Partição, um tipo de método de decomposição, o problema original é subdividido em problemas locais e globais que são então combinados impondo-se a nulidade do vetor de tensões na superfície da fissura. Neste trabalho, o Método da Partição foi completamente programado em linguagem Python® e sua utilização estendida para analisar a propagação de fissuras, incluindo-se a associação do crescimento com a resposta em fadiga. Além disso, o código gerado apresenta diversas características relacionadas aos conceitos da Mecânica da Fratura, como o cálculo do fator de intensidade de tensão (modos I e II) mediante a Integral J. Alguns exemplos são apresentados para ilustrar a propagação de fissuras em estruturas multi-fraturadas. Mostra-se que para este tipo de problemas a estratégia de enriquecimento fornecida pelo GFEM é essencial. Além disso, o exemplo final comprova que a ferramenta computacional permite a investigação de diferentes possíveis cenários de fissuras com uma análise de baixo custo. Conclui-se sobre a representatividade e eficiência da metodologia proposta