Investigação numérica do uso da integral – J na avaliação da integridade de estruturas sob carregamentos cíclicos

Abstract

O emprego da mecânica da fratura na engenharia tem importância fundamental no dimensionamento e no monitoramento de estruturas solicitadas por carregamentos monotônicos e cíclicos, que estão sujeitas ao aparecimento de trincas. Diversos setores tecnológicos tais como as indústrias nucleares e petroquímicas, a aviação, as usinas hidrelétricas e termoelétricas e a engenharia naval são, entre outros, os maiores interessados no controle da propagação de trincas em vasos de pressão, tubulações, fuselagens, cascos de navio, turbinas, etc. O interesse de setores estratégicos para a economia de qualquer país ocasionou um crescente desenvolvimento de técnicas de engenharia para previsão de falhas dessas estruturas. Os métodos numéricos mais utilizados no estudo da propagação de trincas em estruturas são o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Este trabalho utiliza o Método dos Elementos Finitos para calcular a integral – J, pelo Método da Energia, para carregamentos monotônicos (J) e para carregamentos cíclicos (J∆), por meio da metodologia desenvolvida por Maneschy (1998). O Elemento Finito adotado foi o elemento isoparamétrico implementado por Barsoum (1976). Alguns estudos foram realizados ao longo deste trabalho. Foram feitas análises do Fator de Intensidade de Tensão (KI ) comparando os valores calculados com casos clássicos da literatura. Avaliou-se também o parâmetro J tanto aplicando-se tensão quanto aplicando-se deslocamento na estrutura. Foram determinados valores de J ∆ para diferentes valores de razão de carga ( R) . Por fim, algumas aplicações foram analisadas como a estimativa do tempo de vida de uma tubulação submetida a fadiga ou solicitada por transientes hidráulicos. Os valores de J e ∆J obtidos pelo Método da Energia foram comparados com soluções disponíveis na literatura e com respostas fornecidas pelo programa ANSYS, apresentando compatibilidade em todos os casos analisados.