Numerical prediction of fatigue life in mechanical components made of 7050-T6 aluminum alloy under bending-torsion loading histories

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA presente dissertação tem objetivo primordial desenvolver um procedimento numérico de previsão de vida à fadiga para componentes mecânicos produzidos a partir da liga de alumínio 7050-T6 submetidos a histórias de carga de flexão-torção cíclica. O estudo é efetuado recorrendo a uma geometria cilíndrica com um entalhe lateral semiesférico. Os cenários de carregamento incluem três relações entre o momento fletor (B) e o momento torçor (T), B=2T/3, B/T=1 e B=2T, razões de tensão pulsantes, e dois níveis de carga.Neste trabalho, recorre-se ao método dos elementos finitos para desenvolver uma metodologia de previsão de vida à fadiga. O primeiro objetivo consiste na elaboração de um modelo numérico com comportamento elastoplástico capaz de caraterizar os estados de tensão e deformação na região do entalhe associados aos diferentes cenários de carregamento. Com base nesses modelo, pretende-se desenvolver um procedimento numérico capazes de prever os locais de iniciação e os ângulos de propagação de fenda na fase inicial de propagação de fenda. A previsão destas variáveis é feita, respetivamente, com recurso ao valor máximo da primeira tensão principal na superfície do entalhe, e com recurso à primeira direção principal do nó da superfície do entalhe com o maior valor da primeira tensão principal.O segundo objetivo passa por prever a vida de iniciação da fenda à fadiga. Os modelos de previsão de vida à fadiga empregues foram os modelos Smith-Watson-Topper (SWT) e Densidade de Energia de Deformação Total (DEDT). Neste estudo, o estado de tensão-deformação multiaxial foi reduzido a um estado uniaxial equivalente, e o efeito do entalhe foi avaliado através da Teoria das Distâncias Críticas (TCD). Por fim, os resultados numéricos foram comparados com resultados experimentais obtidos para as mesmas condições de carregamento. Conclui-se que que os dois modelos de previsão de vida apresentam previsões satisfatórias, bastante próximas dos resultados obtidos experimentalmente. Contudo, o modelo da DEDT apresenta resultados ligeiramente melhores, com erros médios de previsão de vida inferiores aos do modelo SWT.The main objective of this dissertation is to develop a numerical procedure to estimate the fatigue in mechanical components made of aluminium alloy 7050-T6 subjected to bending-torsion loading histories. The study is carried out using a cylindrical geometry with a semi-spherical lateral notch. The loading scenarios include three relations between the bending moment (B) and the torsion moment (T), B=2T/3, B/T=1 and B=2T, pulsating stress ratios, and two loading levels.In this work, the finite element method is used to develop a fatigue life prediction methodology. The first objective consists in the development of a numerical model with elastoplastic behaviour capable of characterising the stress and strain states in the notch region associated with different loading scenarios. Based on this model, it is intended to develop a numerical procedure capable of predicting the crack initiation sites and the crack angles in the early stage of crack growth. The prediction of these variables is done, respectively, based on the maximum value of the first principal stress at the notch surface, and the first principal direction of the node at the notch surface with the highest value of the first principal stress.The second objective is the prediction of the fatigue crack initiation life. The fatigue life prediction models employed were the Smith-Watson-Topper (SWT) and Total Strain Energy Density (DEDT) models. In this study, the multiaxial stress-strain state was reduced to an equivalent uniaxial state, and the notch effect was evaluated using Theory of Critical Distance (TCD). Finally, the numerical results were compared to the experimental results obtained for the same loading conditions. It was concluded that the two life prediction models present satisfactory predictions, quite close to the results obtained experimentally. However, the DEDT model presents slightly better results, with average life prediction errors lower than those of the SWT model