[pt] O interesse pela fotoelasticidade em aplicações na determinação experimental de tensões, bem como seu uso na indústria como ferramenta de controle de qualidade e inspeção, tem sido estimulado graças à evolução da microinformática e, especialmente, dos equipamentos e softwares destinados à captura e processamento de imagens. Atualmente, novas placas de vídeo, motherboards e velocidade de processamento das CPU s possibilitam um novo avanço na automatização da fotoelasticidade com o uso da luz branca. O presente trabalho descreve, inicialmente, os recentes avanços da determinação automática das ordens de franja fotoelásticas (N), desde o uso de luz monocromática (Gray Photoelasticity) até alcançar o atual estado da arte, no qual se utiliza luz branca e denomina-se Three colors Photoelasticity (ou Fotoelasticidade RGB). Tópicos sobre aquisição de imagens de modelos fotoelásticos e captura RGB, incluindo instruções de programação, são comentados, assim como procedimentos para obtenção de imagend adequadas são sugeridos. Em seguida são apresentadas inovações para melhorar o índice de acertos N nos métodos convencionais, que utilizam tabelas para comparação para realizar susa estimativas. Dois métodos são propostos para corrigir estimativas erradas, baseados em um algoritmo especialmente desenvolvido para qualificar a certeza das estimativas encontradas. No primeiro método as estimativas erradas são identificadas e substituídas através de interpolação linear entre pontos vizinhos. No segundo são utilizados alguns fundamentos da teoria lógica nebilosa para redefinir as estimativas corretamente. O principal objetivo deste trabalho é provar a viabilidade de uma nova linha de pesquisa cujo objetivo é obter, através de uma única imagem de modelo fotoelástico, valores corretos de N. Nesta linha, interessantes ferramentas podem ser elaboradas a partir de técnicas de inteligência artificial como, por exemplo, aplicação de fundamentos da teoria da lógica nebulosa. Os principais resultados deste trabalho foram implementados em um programa de computador, através do qual foi possível apresentar alguns exemplos de aplicação . Nestes exemplos observa-se a facilidade de se obter o Fator de Concentração de Tenção (Kt) e o Fator de Intensidade de Tensão (Kl) através de valores de ordem de franja (N) obtidos pela fotoelasticidade RGB. Outro interessante exemplo é a aplicação prática na indústria de vidro, onde é possível detectar a presença de tensões residuais trativas indesejáveis. / [en] The interest for the use of photoelasticity in experimental applications of the determination of stress, and its use in industry as a quality control and inspection tool hás been stimulated thanks to the micro computing evolution, the equipment and software able to capture and process images. Currently, new video boards, motherboards and increased CPU processing speed have made significant progress in white light photoelasticity automation. The present work describes, initially, the recent progress of the automatic photoelasticity fringe orders (N) determination, by means of monochromatic light use (Gray Photoelasticity) until the current state of art, in which white light is used, called Three Color Photoelasticity (or RGB Photoelasticity (1)). Topics about photoelastic models, image acquisition and RGB capture, including programming instructions, are addressed, as well as procedures for obtaining appropriate images. Additionally, innovations using master tables for comparison are presented to improve the determination of N by conventional methods. Two methods, based on specially developed algorithms, are proposed to improve the quality of N determination. In the first method wrong estimates are identified and substituted through linear interpolation among neighboring points. In the second method, fuzzy logic fundamentals are used to re-define the estimates. The main purpose of this work is to prove the viability of a new line of research, where its objective is to obtain, through a single photoelastic model image, extremely accurate N values. Through this research, valuable tools can be derived from the application of artificial intelligence techniques, specifically the fundamentals of fuzzy logic. (Kt) and Stress Intensity Factor (Kl) from the fringe order values (N) obtained from RGB Photoelastic models is readily apparent and has a clear advance over the methods. The main results of this work were implemented in a computer program and some examples were presented. The possibility to obtain the Stress Concentration Factor Other example is the practical application in the glass industry, where the undesirable tractive residual stress detection is greatly improved.

[pt] Foi desenvolvido um método computacional para a determinação dos fatores de intensidade de tensão, para os modos de abertura I e II, a partir de configurações de franjas isocromáticas. O método se caracteriza pela generalização na formulação do campo de tensões na vizinhança da ponta de trinca, que busca determinar, além dos fatores de intensidade de tensão, alguns parâmetros significativos do campo de tensões não singular, associados a diferentes geometrias, que interferem no campo singular, próximo à trinca. Um programa de computador foi desenvolvido para a obtenção KI, KII e dos demais fatores considerados. O erro das respostas pode ser calculado a partir das diferentes opções de saída do programa. O método foi testado em modelos de barras com trincas a 90 e 45 graus e os resultados comparados com dados experimentais e analíticos disponíveis na literatura. Como fatores de influência na determinação de KI e KII forma estudados: a quantidade e a posição dos pontos de coleta de dados, e o número de parâmetros considerados no campo não singular. Foram analisados ainda, como exemplo de aplicação ainda, como exemplo de aplicação, três modelos de solda de topo com trincas a 45 e 90 graus com diferentes posicionamentos em relação ao reforço de solda. / [en] A computational method has been developed to determine mixed-mode stress intensity factors from isochromatic fringe patterns. The method proposes a general formulation of the stress field around a crack tip. It searches to obtain not only the stress intensity factors but also all the other non-singular stress field parameters, associated to different geometries, which interfere with the singular field near the crack. The method has been tested in bars with 90 and 45 degree cracks and the results, compared to experimental and analytical data found in literature. Three factors influencing in KI and KII determination have been studied: the quantity of data collecting points, its position and number of parameters considered in the non-singular field. Three models of transverse butt welded joints with 45 and 90 degrees cracks placed in different positions relative to weld reinforcement, have been analyzed as application examples.

[pt] Este trabalho procura estudar materiais compostos constituídos por uma matriz de resina poliéster reforçada por fibras de vidro, com propriedades de ortotropia, transparência e birrefringência, através do desenvolvimento de métodos apropriados para a sua obtenção e sua caracterização mecânica e ótica. O material foi obtido a partir de um tipo de fibra de vidro disponível no mercado nacional: fio Roving 374, da Ocfibras, que serviu de reforço à resina poliéster Crystic 199PA rígida, comercializada pela Leo Glass, que constituiu a matriz. O material desenvolvido teve ambos comportamentos mecânico e ótico estudados através de diversos modelos sujeitos a estados uniaxiais e biaxiais de tensões. A discussão dos resultados obtidos e do método de análise experimental empregado, conhecido como foto elasticidade ortotrópica, levou à conclusão que este método pode ser aplicado com uma precisão razoável (mais ou menos 20 por cento), a despeito das dificuldades relativas à interpretação da resposta ótica do material, que depende da transparência do mesmo e da existência de baixas tensões residuais elásticas. / [en] The present work aims to study composite materials, more precisely, certain type of reinforced fiberglass polyester resin with orthotropic, birefringent and transparency properties, through the development of appropriate methods for its mechanical and optical characterization. A kind fiberglass available on the Brazilian market was used: roving 374, (by Ocfibras) which was combines with crystic 199 P.A rigid resin matrix (by Leo Glass). Both mechanical and optical behaviors were studied through several models subjected to uniaxial and biaxial states of stress. The discussion of the results and of the experimental methods used leaded to the conclusion that this method reached good resolution – of a maximum of 20 per cent – in spite of difficulties reached in interpreting the optical response this is a function of both material’s transparency and residual elastic stresses.

[pt] O conhecimento da concentração de tensões provocada pelas bordas de corpos que interagem e do efeito das rugosidades sobre as tensões de contato é de grande importância para o projeto de elementos de máquinas que tenham no contato a sua principal causa de falhas. Estas ocorrem normalmente por fadiga superficial (tais como em rolamentos e engrenagens) e também em aplicações onde estão envolvidos atrito, desgaste superficial e contato elétrico. Neste trabalho, procurou-se estudar a influência da rugosidade nestas distribuições de tensões. O método da fotoelasticidade foi utilizado para análise dos campos de tensões provocados pelo contato de corpos rugosos. As situações envolvendo o contato de superfícies cilíndricas rugosas com o plano liso foram preferidas em virtude das facilidades apresentadas para confecção dos modelos. Primeiramente, realizou-se um estudo de similitude para definir os termos adimensionais considerando as variáveis físicas relevantes às tensões de contato. Posteriormente, comprovou-se que estes termos são adequados através de ensaios fotoelásticos. Nestes ensaios foram variadas as dimensões dos corpos de prova, sua rugosidade e materiais. Foram utilizados diversos materiais, tais como vidro, resinas epoxi e poliester e acrílico. Também foram realizados testes onde materiais metálicos foram submetidos à contato com materiais birrefringentes. Os resultados experimentais fotoelásticos mostraram que a rugosidade superficial provoca grandes reduções sobre a tensão cisalhante máxima e sobre a pressão de contato. Constatou-se que a rugosidade provoca um aumento de largura de contato entre cilindros, aumentando desta forma a área de contato. Os resultados foram apresentados segundo gráficos que oferecem ao projeto de componentes cilíndricos, meios para que se possa conhecer a influência da rugosidade nas tensões de contato e determinar os limites para os quais a teoria de Hertz pode ser aplicada a estas situações, sem implicar em resultados demasiadamente conservativos. Finalmente, os experimentos fotoelásticos com cilindros também forneceram uma comprovação experimental para a teoria de Lo sobre o contato de cilindros rugosos. / [en] The knowlegeof the stress concentration generated by the edge of contacting bodies and the effect of roughness on the contact stresses are of great importance to the design of machine elements which have in the contact stresses their principal sources of failures. These failures usually occur due to surface fatigue (as in bearings and gears) and in applications where friction, wear and eletric contact are present. In this thesis the influence of roughness on the contact stress distribution is studied. The method of 2D photoelasticity is employed to analyse stress distributions fields generated by the contact of rough surfaces of cylindrical bodies. At first, a similitude study was carried out to define the dimensionless parameters which would be important for the problem of contact stresses. It was shown that these parameters were adequate by means of photoelastic experiments, where the dimensions of the models, their roughness and the materials were varied. Different materials were utilized, such as glass, epoxy, polyester resins and flexiglass. Experiments were carried out with contacting cylinders of metals (steel and aluminum) and birrefringent materials. The photoelastic experimental results showed that surface roughness causes great reduction on the maximum shear stress and on the maximum contact pressure. It was verified that roughness causes an increase in the width of contact of cylinders and also an increase in the contact area. The results are furnished in plots that help the design of cylindrical components by presenting the influence of roughness on the contact stresses and the limits for the application of Hertz theory. Finally, the photoelastic experiments gave an experimental validation to the theory of Lo for the contact of rough cylinders.

[pt] No presente trabalho de tese, é analisado a distribuição de tensões na parte extrema de um cilindro de parede grossa, submetido a uma pressão exercida por outro cilindro. É feito o estudo da distribuição das tensões para diferentes posições do cilindro interno, utilizando uma mesma relação de diâmetros para o cilindro oco. Resina epoxi é usada como material fotoelástico para a construção dos modelos. O método de congelamento das tensões foi empregado. O modelo foi cortado em fatias e analisados no polariscópio. As tensões foram determinadas por integração numérica das equações diferenciais de equilíbrio, em coordenadas cilíndricas. Os resultados são apresentados em gráficos e analisados. / [en] The presented work deals with the problem of the state of the stress near the end of the two thick wall cylinders pressed together. The problem was for solved for various configurations of the cylinder by the three-dimensional photo elasticity using stress freezing method. The models were manufactured from the epoxy resin prepared by the special procedure and after stress freezing procedure sliced into the radial and meridial slices. The stresses were determined by numerical integration of the equations of the equilibrium of a elastically deformed body, using cylindrical coordinates.

[pt] Este trabalho se propõe a analisar o estado de tensões do fêmur humano, usando o método da fotoelasticidade tridimensional. O modelo de fêmur feminino foi construído, de um material oticamente sensível, desprezando as propriedades não homogêneas e anisotrópicas do osso real. O modelo do fêmur foi carregado por uma força vertical e o estado de tensões, foi analisado na região do colo onde ocorre com frequência a fratura do osso real. É discutido em detalhes o procedimento de confecção do modelo. O estado de tensão é determinado em um modelo sem considerar a medula óssea, e comparado com modelos onde esta é simulada usando fluidos viscosos. Este trabalho pode ser considerado como um primeiro, com o objetivo de analisar a distribuição de tensões em ossos humano, usando o método da fotoeslasticidade tridimensional. / [en] This work presents the attempt to analyse the state of stress of human femur using the method of three-dimensional photoelasticity. The model of woman’s femur was made from the optically sensitive material reglecting the non-homogenity and anisotropy of real bone. The model of femur was loaded by verticalforce and the state of the stresses was analysed within area of the neck, where the fracture of real bone frequently occurs. The special procedure of the manufacturing of the model is discussed in detail. The state of the stress of bollow bone and model filled by viscous fluid is compared. This work should be considered as a first step in the attempt to analyse the stress distribution of the stress in the human’s bones using the methods of three-dimensional photoelasticity.

[pt] O presente trabalho visa determinar, experimentalmente,Fatores de Intensidade de Tensões, KI e KII em barras e tubos, submetidos à tração, com trincas situadas: I) Junto ao pé do cordão de solda em barras planas soldadas ortogonalmente com relações comprimento de trinca, a, largura da barra, B, a/B igual a 0,1 e a/B igual a 0,2. II) Próximo à raiz da solda em tubos unidos a 90 graus com relações comprimento de trinca, espessura do tubo principal, t, a/t igual a 0,1; a/t igual a 0,2; a/t igual a 0,3. III) Barras e tubos simples (sem uniões soldadas) tendo as relações a/B igual a 0,1; 0,2; 0,3 e a/t igual a 0,1; 0,2; 0,25 e 0,3. Nos modelos planos, foi feito um estudo comparativo entre espécimes que possuíam entalhes usinados para simular as trincas e espécimes onde forma propagadas trincas de fadiga. Os resultados para as barras forma obtidos utilizando-se a técnica fotoelástica bidimensional e para os tubos, o método tridimensional de congelamento de tensões e corte em fatias. Nas barras os dados coletados foram submetidos aos programas CRACK e FLAW, e nos tubos, apenas ao programa FLAW, para determinação dos valores de KI e KII. / [en] This work aims to determine Stress Intensity Factors KI and KII for bars and tubes loaded in tension with the following geometry: I) T Join bars with cracks located near the weld toe. Relations between crack length, a, and bar width, B, were: a/B equal 0.05; a/B equal 0.1 a/B equal 0.2. II) Tubes with T joints with cracks located at the weld toe. The relations between crack length and tube thickness, t, were: a/t equal 0.1; a/t equal 0.2 and a/t equal 0.3. III) Plains bars with ratios a/B equal 0.05; a/B equal 0.1 and a/B equal 0.2. IV) Plains tubes with ratios a/t of 0.1, 0.2, 0.25 and 0.3. A comparative study was made between plane models that had artificial machined cracks and those that had natural fatigue cracks. Results for bars were obtained employing two-dimensional Photoelasticity technique and for tubes, the three-dimensional stress freezing and slicing method was used. To generate KI and KII, the collected data were submitted to FLAW and CRACK computer programs in the case of bars, while for tubes, only the FLAW program was used.

[pt] Este trabalho apresenta uma nova técnica para análise de tensões em modelos fotoelásticos planos. Essa técnica baseia-se na determinação de coeficientes para funções de tensão aproximadas, através da coleta dos dados extraídos de ordens de franjas isocromáticas e de condições de contorno de modelos fotoelásticos planos. O modelo tem como vantagens a determinação de fatores de concentração de tensões com boa precisão, além de permitir a separação de tensões em pequenas ou grandes regiões de modelos fotoelásticos planos, sem requerer a leitura de franjas isoclínicas. Uma outra grande vantagem está na possibilidade imediata de acoplamento desse método com um analisador de imagens para determinação automática de Kt. Foram encontrados excelentes resultados em problemas onde haviam concentradores de tensão e no estudo de regiões próximas a cargas concentradas. A determinação dos coeficientes das funções foi feita através de um programa escrito em BASIC, que utiliza o método de Newton-Raphson em conjunto com o ajuste dos dados por mínimos quadrados. Vários exemplos foram estudados com o objetivo de avaliar sua performance. Entre eles estão: carga concentrada sobre uma superfície semi-infinita; placa infinita e finita com futo circular sujeita à tração; disco circular submetidos à cargas diametrais compressivas; viga reta carregada à tração constante e a momento constante; e barra com duplo entalhe em U submetida a momento constante. / [en] This work presents a new technique for improving stress analysis in photoelastic plane models. This technique is based on the determination of coefficients of approximated stress functions through the collection of isochromatic fringe data, and by the applications of boundary conditions to photoelastic plane models. The technique has as advantages the accurate determination of stress concentration factors and the stress without the need for collecting isoclinic fringe data. Another great advantage, is the immediate use of this method coupled with an image analyzer device for automatic extraction of Kt. Excellent results were found in problems where stress concentration or concentrated loading were present. The coefficients of the stress functions were determined by a BASIC program, using a Newton-Raphson technique coupled to a least square algorithm. Many example were tested to evaluate its performance. Among them are: concentrated force at a point of a straight boundary; infinite and finite plate with circular holes subjected to uniaxial tensile loads; circular disk under compressive diametral forces; bar subjected to pure tensile and pure bending loads; and a double U-notched bar under pure bending.

[pt] Este trabalho apresenta um método para determinação de fatores de intensidade de tensão, KI e KII, baseado nas técnicas de Newton-Raphson e mínimos quadrados onde o termo Teta 0x, referente ao campo de tensões distante, é tomado como um polinômio completo em x e y para ajustamento do campo de tensões não singular. Um análise do número e da localização dos pontos utilizados na coleta de dados é feita com intuito de melhor poder-se avaliar sua influencia sobre os valores de KI e KII determinados pelo método proposto. Apresenta-se uma comparação entre as distribuições de franjas isocromáticas obtidas experimentalmente e aquelas plotadas com auxílio de um computador utilizando-se para isto os valores determinados de KI e KII e, também, uma comparação entre os resultados obtidos e aqueles existentes na literatura. Finalmente, o método é utilizado na determinação de KI e KII para o problema da existência de trincas nas proximidades de junções soldadas de placas a 90 graus e 45 graus como exemplo de aplicação. / [en] This thesis presents a photoelastic method to determine stress intensy factors, KI and KII, base don the Newton-Raphson and least square techniques, where the term teta 0x refers to the far field stress distribution is substituted by a complete polynomial in x and y for the better adjustment of the nonsingular stress field. Analyses are made of the number and location of points used to obtain the experimental data with the purpose of estudying their influence on the values of KI an KII determined by the proposed method. The experimentally determined isochromatic fringe patterns are compared with computer plotted fringe patterns generated with the aid of the determined values of KI and KII. Finally, the proposed method is employed for the determination of stress intensity factors in problems simulating cracks near joints of welded plates subjected to tension and beding.

[pt] Este trabalho tem como finalidade a apresentação de um método novo e eficiente para a análise e separação de tensões em materiais compostos (conjugados). O método híbrido consiste no acoplamento da lei ótica para materiais ortotrópicos com as equações de compatibilidade e equilíbrio para corpos anisotrópicos. As soluções destas equações são representadas por funções analíticas de variáveis complexas. O método propõe que se aproximem as funções analíticas por funções polinomiais. Estas funções aproximadas são determinadas através do acoplamento das equações de equilíbrio e compatibilidade com dados experimentais, obtidos da resposta fotoelástica, e com métodos numéricos (Newton-Raphson e mínimos quadrados), possibilitando a determinação dos coeficientes integrantes das funções polinomiais. O método apresenta como principal vantagem a capacidade de separar as tensões, com precisão, em pequenas ou mesmo em grandes regiões de modelos fotoelásticos planos, sem requerer a leitura de franjas isoclínicas. São apresentados excelentes resultados obtidos com a aplicação do método desenvolvido em alguns casos específicos, envolvendo um material composto por uma matriz de resina reforçada por fibras de vidro com arranjo unidirecional. Três casos são objetos de estudo: A) Barra retangular submetida à tração, com a direção do reforço paralela a direção da carga aplicada. B) Barra retangular submetida à tração. com direção do reforço fazendo um ângulo qualquer com a direção da carga aplicada. C) Plano semi-infinito submetido à carga concentrada atuando perpendicularmente à direção do reforço. / [en] The objective of this paper is to present a new and efficient method to analyse and separate stresses in composite materials. The hybrid method associates the stress-optic law for orthotropic materials with the compatibility and equlibrium equations for anisotropic bodies. The solutions of these equatios are represented by analytical functions of complex variables. The method proposes that these analytical functions be approximate by polynomial functions. These aapproximate functions are determined by the association of the compatibility equilibrium equatios with experimental data (obtained from the photoelastic response) and numerical methods (Newton-Raphson and least squares method). The method presents as a major advantage the capacity to separate stresses precisely in small or even in large regions of photoelastic plane models, without needign to collect isoclinic fringe data. The thesis presents excellent results obtained by the application of the developed method in some specific cases, where a fiber glass reinforced epoxy resin is used as a model material, will be shown. Three cases are studied: A) Rectangular bar in tension with the fiber reinforcement axis parallel to the applied load direction B) Rectangular bar in tension with the fiber reinforcement axis making a known angle with the applied load direction C) Semi-infinite plane subjected to a concentrated edge load which is perpendicular to the fiber reinforcement axis.