Um modelo de análise de confiabilidade sob condições de falha por fadiga : aplicação à pás de hidro turbinas Kaplan

Abstract

Este trabalho apresenta a implementação de métodos de confiabilidade sob componentes mecânicos sujeitos a falha por fadiga. A aplicação destes métodos foi feita no estudo da integridade estrutural das pás de uma hidroturbina, confeccionadas em aço ASTM a743 CA6NM. As pás são componentes essenciais na integridade estrutural da turbina e estão susceptíveis a iniciação de trincas por fadiga, sendo este o modo de falha preponderante deste componente. Para efetuar a análise estrutural, as características de resistência do material, aqui denominada função de capacidade, foram obtidas através de ensaios de tração e de fadiga. O histórico de tensões , aqui denominado demanda, foi obtido através da análise em elementos finitos da pá da turbina. A demanda de carregamentos foi analisada através de três modelos de fadiga distintos: modelo de Goodman, modelo de Gerber e Modelo de Walker. Baseado nos resultados da capacidade do material e na demanda que a pá está submetida foi obtido o índice de confiabilidade e a confiabilidade do componente de acordo com os métodos de Monte Carlo, FORM e SORM. Os resultados revelam que a pá da turbina não apresenta grande probabilidade de falhar sob as condições simuladas. O efeito do fator de superfície na confiabilidade da pá é estudado, e revela que a probabilidade de falha é sensível a este fator. O efeito de variações no histórico de carregamento na confiabilidade também é analisado, demonstrando que a tensão alternada possui maior impacto na probabilidade de falha. ___________________________________________________________________________ ABSTRACT

This paper presents the application of reliability methods to mechanical components subject to fatigue failure. The application of these methods was conducted in the study of the structural integrity of the blades from a hydro generator Kaplan, built on steel ASTM A743 CA6NM. The blades are essential components in the structural integrity of the turbine and are susceptible to fatigue crack initiation, which is the predominant mode of failure of this component. To perform the structural analysis, the strength characteristics of the material, here called function capacity were obtained from tensile and fatigue tests. The stress history, here called demand has been obtained by finite element analysis of the blade's generator. The demand loads was analyzed by three different fatigue models: Goodman's model, Gerber's model and Walker's model. Based on the results of the capacity of the material and the demand applied in to the blade, it was obtained the reliability index and the reliability, according to the Monte Carlo simulation, and the methods FORM and SORM. The results reveal that the blade is not likely to fail under the conditions simulated. The surface factor effects on reliability of the blade are studied, revealing that the failure probability is sensitive to this factor. The effect in the reliability of variations in the load history is also analyzed, demonstrating that the alternating stress has a greater impact on the failure probability.