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Title: Determinação numérica de limites de deformação e flexibilidades elásticas aplicáveis a geometrias C(T), SE(B) e SET(T)
Authors: Moreira, F. C.
Advisor: Donato, Gustavo H. B.
Issue Date: 2015
Abstract: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de critérios objetivos para a garantia de validade da mecânica da fratura elasto-plástica monoparamétrica, utilizando o parâmetro integral J como descritor dos campos de tensões, deformações e deslocamentos à frente de um defeito do tipo trinca. Além disso, como objetivo secundário, apresenta soluções de flexibilidade elástica incluindo efeitos 3-D e entalhes laterais para uma ampla variedade de geometrias de corpos de prova de fratura visando aumentar o realismo na determinação de tamanhos instantâneos de trincas durante ensaios de tenacidade à fratura. A maior severidade das aplicações atuais (tensões, deformações, deslocamentos e ambiente agressivo), combinada à utilização de materiais de grande tenacidade e estruturas muitas vezes com baixa restrição à plasticidade, impacta fortemente na validade da mecânica da fratura para prever quantitativamente o comportamento mecânico e o fraturamento de tais estruturas usando dados de laboratório, o que motivou o estudo. O mais importante na vertente monoparamétrica da mecânica da fratura é garantir que os campos de tensões presentes no corpo de prova laboratorial sejam os mesmos existentes em uma estrutura real para cujo projeto as propriedades retiradas do corpo de prova serão utilizadas. Tem-se nesse momento o conceito de similitude, no qual um único parâmetro pode descrever o campo de tensões à frente de uma trinca em uma estrutura e em um corpo de prova. Para o estabelecimento de critérios objetivos para a existência de similitude, esse trabalho comparou os campos de tensões obtidos de estruturas de referência sob alta triaxialidade de tensões (MBL) com aqueles obtidos de corpos de provas de mecânica da fratura em escala de laboratório. A extensa matriz de análise, considerando simulações computacionais em estado plano de deformações, complementadas por análises 3-D, permitiu a determinação dos limites de deformação M para geometrias C(T), SE(B) e SE(T) de diversas configurações e para uma faixa de propriedades de material característica de aços estruturais aplicáveis a vasos de pressão e dutos, assim como também para determinação de soluções de flexibilidade elástica (C). Os resultados apresentados, em especial os limites de deformação M, demonstram a baixa restrição à plasticidade de corpos de prova com trincas rasas, principalmente para corpos de prova SE(B) e SE(T). Ainda, alguns comportamentos inesperados foram evidenciados, como no caso em que (para condições particulares de profundidade de trincas) corpos de prova mais finos apresentaram maior restrição a plasticidade do que amostras mais espessas. Sendo assim, o trabalho oferece uma base objetiva para que a similitude seja garantida nas avaliações de integridade estrutural baseadas na mecânica da fratura elastoplástica suportada pela integral J, seja com seus valores críticos (Jc) ou curvas J-R.
This work presents the development of objective criteria to ensure the oneparameter elastic-plastic fracture mechanics validity using the J integral to describe the stress/strain/displacement-fields ahead of crack-like defects. Furthermore, as a secondary objective, compliance solutions including 3-D and side-groove effects for a wide variety of specimen geometries are provided in order to increase the realism of instantaneous crack size estimations during fracture toughness tests. The increasing severity of current applications (stresses, strains, displacements and aggressive environment), combined to the use of high toughness materials and low constraint structures, strongly affects the validity of fracture mechanics methods to predict the mechanical behavior and final fracture of such strucutres using data obtained from laboratory tests, motivating the research. However, the most important aspect of the one-parameter fracture mechanics framework is to ensure that the stress-fields in a reduced laboratory specimen are the same as the one existing in a real structure to whose design the properties taken from the specimen will be used. This is the similitude concept, in which a single-parameter can describe the stress-fields ahead of a specimen’s or structure’s crack-tip. To establish objective criteria for the similitude existence in the analysis, this work compared the stress-fields obtained from high constraint reference structures (MBL) with those obtained from laboratory scale fracture mechanics specimens. The extensive analysis matrix, considering computational simulations under plane-strain, complemented by 3-D analysis, allowed the determination of the deformation limits M for C(T), SE(B) and SE(T) geometries considering a wide range of material properties characteristic of structural steels applicable to pressure vessels and pipelines as well as to propose enhanced elastic compliance solutions (C) for the same geometries. The results, especially the deformation limits M, confirmed the low constraint for short-cracked SE(B) and SE(T) specimens. In addition, some unexpected behaviors were evidenced, as the case in which (for some particular crack depths) thin specimens are more contrained than thick ones. Thus, this work provides an objective basis to guarantee similitude in structural integrity assessments based on elastic-plastic fracture mechanics supported by the J integral either with its critical values (Jc) or J-R curves.
Keywords: Deformações (Mecânica)
Tensões residuais
Publisher: Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo
URI: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/581
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