Nonlinear finite element modeling of the impact of brittle rock particles against a flat metallic surface

Abstract

Este trabalho aborda a influência da geometria e velocidade de impacto no processo de fratura de projéteis rochosos. A análise inclui seis geometrias distintas projetadas contra um anteparo plano metálico. Três tipos de materiais são estudados (granito, arenito e concreto) sob efeito de quatro velocidades de impacto (10, 20, 40 e 60 m/s). São realizadas comparações de parâmetros como tensão efetiva, deformação e rigidez para cada situação. É empregado o método de elementos finitos para a modelagem do fenômeno de impacto por meio do pacote comercial Abaqus®. Para realizar a análise não linear (incluindo o dano e a perda de rigidez do material), utilizou-se um modelo de dano plástico (Concrete Damage Plasticity). Já para análise do anteparo metálico utilizou-se o modelo de Johnson-Cook. Observou-se que a inclusão dos fenômenos de dano e plasticidade são fundamentais para a precisa representação do comportamento dos materiais analisados. Esse estudo inclui uma etapa de avaliação qualitativa e uma quantitativa dos resultados. A análise quantitativa apresenta análises gráficas da influência do aumento da velocidade de impacto para cada tipo de projétil com sua respectiva geometria e característica material. A análise qualitativa demonstra por meio de imagens e tabelas o percentual de dano do projétil após colidir com o plano metálico. Ao avaliar os resultados obtidos, é observada uma influência direta da velocidade de impacto, da geometria e do tipo de material no dano causado no anteparo metálico e nos projéteis. Verificou-se que o projétil de granito, o material analisado com a menor porosidade e com maior resistência mecânica, é aquele que produz maiores tensões e deformações no anteparo. Adicionalmente, dentre todas as geometrias analisadas, ele é também o que menos se danifica. De maneira geral, o comportamento observado nos modelos implementados permite avaliar os efeitos mecânicos de impactos singulares e continuados. Tal ferramenta pode ser empregada na análise de problemas industriais visando a redução de custo, otimização de vida útil e desempenho.