Análise de propagação de trincas por fadiga em uma viga da estrutura de um forno de reaquecimento
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Roque Luiz da Silva Pitangueira
Joaquim Gonçalves Costa Neto
Joaquim Gonçalves Costa Neto
Resumo
Trinca por fadiga é um dos principais problemas em componentes mecânicos ou estruturas
metálicas. Neste trabalho são analisadas as trincas por fadiga em uma das vigas responsáveis
pelo movimento de translação de um forno de reaquecimento de tarugos a fim de subsidiar os
planos de inspeção e de manutenção. O estudo é baseado na mecânica da fratura, aplicando-se
os conceitos da propagação de trincas em componentes mecânicos sujeitos à fadiga. A
metodologia empregada consiste na estratégia de análise global-local, para o cálculo da
propagação de trinca e a avaliação da vida em fadiga, realizada em três etapas. A primeira
delas corresponde à análise linear elástica global da viga, sem a presença de trinca, utilizando
o método de elementos finitos (MEF) através do programa SOLIDWORKS. Essa etapa
determina as regiões críticas, em termos de solicitação, onde há maior probabilidade de
ocorrências de trincas. Na segunda etapa, são inseridas duas trincas distintas no modelo global
obtido na primeira etapa. A posição da trinca é definida pela realidade dos defeitos
observados na viga de translação, o que faz com que a simulação do modelo tridimensional
seja o mais próximo da realidade. Desses modelos com trincas, obtêm-se os deslocamentos
para os carregamentos máximo e mínimo. Por fim, a terceira etapa corresponde à modelagem
utilizando o método de elementos de contorno (MEC) para análise de trincas em corpos
tridimensionais, através do programa FRANC3D. Os deslocamentos encontrados na segunda
etapa aplicam-se como condições de contorno nos modelos locais criados no FRANC3D. Os
resultados desta terceira etapa podem ser utilizados para refinar a análise global da segunda
etapa, num processo de refinamento sucessivo de análises. Apresentam-se os resultados de
uma chapa tracionada semelhante ao modelo proposto por BORGES (2010). Observou-se que
os valores obtidos nos métodos numéricos foram semelhantes aos obtidos através dos
fundamentos da mecânica da fratura, demonstrando a validação da metodologia proposta. Os
modelos locais com a presença de trincas distintas, para uma chapa extraída da viga de
translação e para um trecho da viga de translação, sujeitos a um carregamento cíclico,
mostraram-se viáveis para a estimativa da propagação de trincas em componentes mecânicos
com base na fundamentação da Mecânica da Fratura. Para o cálculo da vida em fadiga
estabelecidos na norma NBR-8800, os resultados obtidos são coerentes em comparação com
os resultados obtidos aos dos modelos locais.
Abstract
Fatigue crack is one of main problems in mechanical components and metallic structures. In
this work fatigue cracks are analyzed in one of beams that is in charge of translation
movement of the billet inside the reheating furnace, in order to support the plans of inspection
and maintenance. The study is based on fracture mechanics, applying concepts about crack
propagation on mechanical components submitted to fatigue. The methodology consists in the
global-local analysis strategy to calculate the crack propagation and the life under fatigue
which was divided in three steps. The first one corresponds to the global linear elastic analysis
of the beam, considering absence of cracks, using the numerical finite elements method
(FEM) by SOLIDWORKS software. This step enables the establishment of critical regions
considering the work to be done and, therefore, most susceptible to cracks. In the second step,
two different cracks are inserted in the global model obtained in the first step. Crack position
is defined by the reality of the failures observed in the translation beam, this enables the threedimensional simulation model to be closer to reality. From these models, displacements are
obtained from maximum and minimum loads. At the end, the third step corresponds to the
modeling using boundary element method (BEM) to analyze cracks in three-dimensional
bodies, applying FRANC3D software. The displacements found in the second step are applied
as contour conditions in the local models created on FRANC3D. Results of this third step can
be used to refine global analysis of the second step, in a continuous process of refining
analysis. Results of a tensioned plate are presented, similarly to the model proposed by
BORGES (2010). It was observed that the values obtained with numerical methods were
similar to the ones obtained using the fundamentals of fracture mechanics, validating the
proposed methodology. The local models, presenting different cracks, of a plate taken from
the translation beam and of a piece of the translation beam, exposed to a cyclic loading, have
proven feasible to estimate crack propagation on mechanical components, based on
fundamentals of fracture mechanics. In order to calculate the life under fatigue defined by
NBR-8800, the results obtained are consistent when compared to the results coming from the
local models.
Assunto
Engenharia de estruturas, Mecânica da fratura
Palavras-chave
Mecânica da fratura, Propagação de trincas, Fadiga