Análise quase-estática e de fadiga em juntas coladas usando modelo de zona coesiva (CZM)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Ernani Sales Palma
Leonardo Barbosa Godefroid
Leonardo Barbosa Godefroid
Resumo
Nessa dissertação foram realizadas simulações numéricas para análises das tensões e de fadiga de alto ciclo em juntas coladas usando materiais compósitos como aderentes. Para isso foi desenvolvida um algoritmo usando a sub-rotina UEL no Abaqus® para adicionar um modelo de dano usando elementos coesivos quando o componente estrutural é solicitado por carregamentos cíclicos. Esse trabalho é importante devido ao crescente uso de juntas coladas usando materiais compósitos em estruturas aeronáuticas, automotivas e outros segmentos da indústria. Os motivos desse crescimento são algumas vantagens em relação as juntas mecânicas tais como peso, resistência a fadiga, menor custo de manutenção. Para representar numericamente o comportamento da propagação da trinca e do dano na região colada será usado o modelo de zona coesiva (CZM sigla em inglês). O motivo da escolha se justifica, pois, o CZM apresenta como principal vantagem, em relação a outros modelos de clássicos de elementos finitos como VCCT e XFEM, o tempo computacional. Como resultado foram realizadas simulações de juntas coladas para modo I sujeitos a um carregamento quase-estático e de fadiga. Foram comparados os valores numéricos e experimentais das tensões atuantes, a taxa de propagação da trinca e número de ciclos de vida das juntas. Na análise quase-estática, estudou-se parâmetros de ajustes para o modelo CZM como a rigidez coesiva e o comprimento da zona coesiva, cujos os resultados mostraram a influência dos seus valores na curva de tração-separação na região coesiva para o modelo DCB e a influência na distribuição da tensão normal e de cisalhamento para o modelo SLJ. Já para na análise de fadiga usando CZM, aplicou-se o modelo numérico apresentado por Turon (2006) com o qual foi possível comparar por meio de dados experimentais, a taxa de crescimento da trinca para diferentes razões de carregamento, assim como, o acúmulo do dano no elemento coesivo propiciado pelo carregamento cíclico.
Abstract
In this paper numerical simulations were performed for tensile and fatigue analyzes of high cycle in bonded joints using composite materials as adhesives. For this, an algorithm was developed using the UEL subroutine in Abaqus® to add a damage model using cohesive elements when the structural component is requested by cyclic loads. This work is important because of the increasing use of bonded joints using composite materials in aeronautical, automotive and other industry segments. The reasons for this growth are some advantages over mechanical joints such as weight, fatigue strength, lower maintenance cost. In order to numerically represent the behavior of crack propagation and damage in the bonded region, the cohesive zone model (CZM) will be used. The reason for the choice is justified, since the CZM presents the main advantage, in relation to other models of classics of finite elements like VCCT and XFEM, the computational time. As a result, bonded joints for mode I were subjected to quasi-static and fatigue loading. The numerical and experimental values of the tensile stresses, the crack propagation rate and the number of joint life cycles were compared. In the quasi-static analysis, adjustment parameters for the CZM model were studied, such as cohesive stiffness and cohesive zone length, whose results showed the influence of their values on the traction-separation curve in the cohesive region for the DCB model and the influence on the distribution of normal and shear stress for the SLJ model. For the analysis of fatigue using CZM, the numerical model presented by Turon (2006) was applied with which it was possible to compare, by means of experimental data, the crack growth rate for different loading ratios, as well as the accumulation of the damage to the cohesive element caused by the cyclic loading.
Assunto
Engenharia de estruturas, Materiais compostos, Juntas (Engenharia), Materiais fadiga
Palavras-chave
Fadiga, Juntas coladas, CZM, Materiais compósitos, Propagação de trinca