Determinação e propagação de trincas em estruturas aeronáuticas com reforçadores utilizando o método dos elementos de contorno dual e sensores piezelétricos

Abstract

Nos equipamentos usados na engenharia aeroespacial, na construção civil e na indústria nuclear, entre outras, as trincas ou os defeitos devem ser analisados com bastante cuidado. Determinada a trinca, existe a possibilidade, com o auxílio da Mecânica da Fratura, de se avaliar a vida útil, ou o número de ciclos de carga, que a estrutura ainda pode suportar com segurança. Por outro lado, as técnicas de ensaio para a determinação precisa de trincas em estruturas podem ser caras, principalmente se a opção for o uso do Raio-X - que é o mais eficiente entre os ensaios não-destrutivos. Algoritmos numérico-computacionais podem ser de grande auxílio para a determinação de trincas e para o cálculo dos parâmetros da Mecânica da Fratura, como o Fator de Intensidade de Tensão, que podem servir de auxílio no estudo da propagação de trincas. Este trabalho apresenta algumas formulações com aplicações do Método dos Elementos de Contorno para o cálculo do Fator de Intensidade de Tensão e para a determinação da existência de trincas fechadas simples ou múltiplas em chapas. Para determinar trincas, a formulação apresentada associa as respostas do Método dos Elementos de Contorno com a resposta de sensores piezelétricos em campos de tensão elásto-estáticos ou elásto-dinâmicos. As aplicações limitam-se a chapas usadas na indústria aeroespacial com ou sem reforçadores. Os algoritmos numérico-computacionais propostos foram implementados em códigos base do Método do Elemento de Contorno e do Método do Elemento de Contorno Dual. Através de uma série de exemplos, estes algoritmos foram testados e revelam-se eficientes tanto para o cálculo do Fator de Intensidade de Tensão bem como para a determinação da presença de trincas em chapas. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

In equipments used in the aerospace engineering, in civil construction, and in the nuclear industry, among other, cracks or defects should be analyzed with great care. Once a crack is detected, it is possible, with the help of Fracture Mechanics, to make the evaluation of the crack, and, consequently, to assess the lifetime, or the number of loading cycles, the equipment or structure with the crack can still undertake with safety. On the other hand, the non-destructive techniques for the accurate determination of cracks in structures can be very expensive, mainly if the option chosen is the X-Ray examination, which is the most efficient among the non-destructive tests. Numerical-computational algorithms can be of great assistance in the determination of cracks and in the calculation of the Fracture Mechanics parameters, like the Stress Intensity Factor, employed in the evaluation of the crack propagation. This work presents several formulations making use of the Boundary Element Methods for the calculation of the Stress Intensity Factor and also for the determination of simple or multiple closed cracks. To detect cracks, the formulation presented associates the answers of the Boundary Element Method with the answers of piezoelectric sensors in elastostatic or elastodynamic stress fields. The formulations presented in this work are limited to stiffened or without stiffener plates which are typically used in the aerospace industry. The numerical-computational algorithms proposed were implemented in basic codes of Boundary Element or Dual Boundary Element Methods. Throughout a series of examples, these algorithms were tested and confirmed to be efficient for the calculation of the Stress Intensity Factor as well as for the determination of the closed cracks in plates.