A maioria das máquinas e componentes mecânicos estão sujeitos a solicitações dinâmicas as quais podem ocasionar falhas por fadiga. Um dos métodos para a previsão de falhas por fadiga é a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Na MFLE existem diversos modelos que descrevem a propagação de uma trinca, com suas diferentes abordagens e concepções. De forma geral, distinguem-se os modelos de propagação de trinca para carregamentos com amplitude de tensão constante e variável. Dentre os modelos de amplitude de tensão constante destaca-se a Lei de Paris, que consiste de um Problema de Valor Inicial (PVI), sendo que sua solução, em poucos casos, é determinada de forma exata. Assim, o objetivo deste trabalho é propor uma nova metodologia para solucionar alguns modelos de propagação de trinca de amplitude de tensão constante, como os modelos de Paris-Erdogan, Forman, Walker, McEvily e Priddle sem a necessidade da utilização de métodos numéricos para a solução. Essa metodologia foi desenvolvida estabelecendo cotas, superior e inferior, que delimitam o comportamento das soluções dos modelos de propagação de trinca. Para isso, através da literatura, foram delimitados os modelos a serem avaliados com base em dois aspectos principais: modelos que incorporem em suas equações as regiões I a III da propagação de trinca, e modelos que levem em consideração parâmetros como a razão de tensão, a tenacidade à fratura e o fator intensidade de tensão inicial para propagação de trinca. Para verificação da precisão e eficácia da nova metodologia, foi calculado o desvio relativo entre as cotas e a solução numérica aproximada, utilizando o método de Runge-Kutta de 4a ordem (RK4), e observou-se que as cotas são válidas como forma de aproximação do comportamento da evolução da trinca para todos os modelos estudados. Também foi avaliado o desempenho da utilização das cotas em relação à solução pelo método RK4 através do tempo de computação, e foi observado que com a utilização das cotas, consegue-se um monitoramento dinâmico dos resultados. / Most machines and mechanical components are subject to dynamic loads that can lead to fatigue failures. One of the methods for the prediction of fatigue failures is the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). In the LEFM there are several models that describe the propagation of a crack, with their different approaches and conceptions. In general, a distinction is made between the crack propagation models under constant and variable amplitude load. One of the constant amplitude load models is the Paris law, consisting of an Initial Value Problem (IVP), whose solution, in a few cases, can be obtained in closed form. Thus, the objective of this work is to propose a new methodology to solve some models of crack propagation under constant amplitude load, as the models of Paris-Erdogan, Forman, Walker, McEvily and Priddle, without requiring the use of numerical methods for the solution. This methodology was developed by establishing upper and lower bounds that delimit the behavior of the solutions of the models of crack propagation. For that, through literature, were delimited the models to be assessed on the basis of two main aspects: models that incorporate in their equations the regions I to III of the crack propagation, and models that take into account parameters such as the stress ratio, fracture toughness and threshold stress intensity factor for crack propagation. For verification of the accuracy and effectiveness of the new methodology, the relative deviation between bounds and approximate numerical solution was calculated, using the Runge-Kutta 4th order (RK4), and it was observed that the bounds are valid as a way of obtaining approximate solutions to all models. The performance of the use of bounds regarding the RK4 method solution was also evaluated through the computation time.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, um algoritmo algébrico sequencial é utilizado para descrever a propagação de ondas acústicas ao longo de uma barra e utilizado na identificação de danos. Esse algoritmo é validado com base nos conficientes de sensibilidade dos ecos correspondentes aos diferentes cenários de danos apresentados. Na formulação do problema de identificação de dano, o campo de impedância generalizada, que minimiza o funcional definido como a distância entre o eco calculado e o eco experimental sintético é procurado. Os tempos de percurso da resposta, obtidos a partir de experimentos numéricos, são utilizados para identificar a posição, intensidade e forma do dano. Para simular dados corrompidos, diferentes níveis de ruído - variando de 30 a 0 dB - são introduzidos. O processo de identificação foi avaliado com os seguintes métodos de otimização: Otimização por Enxame de Partículas (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Algoritmo de Colisão de Partículas (PCA); Algoritmos Genéticos (GA) e Recozimento Simulado (SA); e a hibridização desses métodos com o método determinístico de Levenberg-Marquardt. É mostrado que o processo de identificação de dano construído sobre a abordagem de propagação de ondas acústicas foi bem sucedido, mesmo para dados ruidosos altamente corrompidos. Os resultados dos casos testes são apresentados e algumas observações sobre as vantagens dos métodos determinísticos e estocásticos e sua combinação também são relatados. / In the present work, a sequential algorithm is used for describing the acoustic wave propagation along a bar and applied for damage identification purposes. The algorithm is validated based on the sensitivity coefficients of the corresponding echoes to the adressed damage scenarios. In the formulation of the damage identification problem, the generalized impedance field, that minimizes the functional defined as the distance between the calculated echo and the synthetic experimental one is sought. Time history responses, obtained from pulse-echo experiments, are used to identify damage position, severity and shape. In oder to account for noise corrupted data, different levels of signal to noise ratio - varying from 30 to 0 dB - are introduced. In the identification procedure the following optimization methods were applied: Particle Swarm Optimization (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Particle Collision Algorithm (PCA); Genetic Algorithms (GA); and Simmulated Annealing (SA): and the hybridization of these methods with the deterministic Levenberg-Marquardt method. It is shown that the damage identification procedure built on the acoustic wave propagation approach was successful, even for highly corrupted noisy data. Test case results are presented and a few comments on the advantages of deterministic and stochastic methods and their combination are also reported.

The design of a bolted joint shall consider several factors such as material and heat treatment of the bolt (defined by the class of the bolt), stiffness of the parts being assembled (stiffness of the union), dimensions of the bolt, among others. In our study we used bolts M6x1, class 8.8, with three different lengths: 40 mm, 60 mm and 80 mm. The purpose of this study is to verify the relationship between the length of the bolt and the fatigue limit of the bolted joints, subjected to fluctuating cyclic loading of tension. The results indicated that the greater the length of the bolt, the larger the fatigue limit. An analytical study was also evaluated on the relationship between the cyclic stress amplitude and the mean stress experienced by the bolts with 40 mm of length. The results were compared with the bolt fatigue diagram of the BURGUETE and PATTERSON (1995). Correction factors were proposed for the relationship between cyclic stress amplitude. The adapted model from LEHNHOFF and WISTEHUFF (1996) for M6 bolts was the one whose results were the closest to estimated. / O projeto de uma união parafusada deve considerar diversos fatores tais como material e tratamento térmico do parafuso (definidos pela classe do parafuso), rigidez das peças que estão sendo montadas (rigidez da união), dimensões do parafuso, entre outros. Em nosso estudo utilizamos parafusos M6x1, classe 8.8, com três comprimentos distintos: 40 mm, 60 mm e 80 mm. A proposta deste estudo é verificar a relação do comprimento do parafuso com o limite de fadiga de uniões parafusadas submetidas a carregamentos cíclicos de tração. Os resultados indicaram que quanto maior o comprimento do parafuso, maior é o limite de fadiga. Foi realizado ainda um estudo analítico da relação entre a amplitude de tensão e a tensão média suportada pelos parafusos de 40 mm de comprimento. Os resultados foram comparados com o diagrama de BURGUETE e PATTERSON (1995). Foram propostos coeficientes de correção para a relação entre as amplitudes de tensão. O modelo de rigidez adaptado de LEHNHOFF e WISTEHUFF (1996) para parafusos M6 foi o que apresentou resultado mais próximo aos estimados.

O presente trabalho foi desenvolvido para avaliar o potencial de utilização de um reator anaeróbico fabricado em PEAD Polietileno de Alta Densidade, produzido pelo processo de rotomoldagem em substituição aos reatores convencionais construídos em concreto e alvenaria, trabalhando em regime de batelada e enterrados no solo. Os estados de tensões e deformações foram avaliados utilizando o programa de Elementos Finitos ABAQUS versão 6.5 e a malha dos nós utilizando o programa MSC PATRAN 2005 formando 7329 nós e 2004 elementos, em uma malha otimizada para as regiões de maior curvatura (pontos concentradores de tensão). O carregamento é formado com uma pressão interna do biogás de 5 kPa acrescido da carga hidrostática de biomassa de 6000 kgf em uma fundação elástica calculada pela razão tensão/recalque a partir do Módulo de Elasticidade equivalente do solo (Esolo). Comparando o estado de tensões avaliado durante o carregamento foi possível constatar que a maior tensão obtida no elemento mais crítico para a utilização mais provável do reator atingiu o valor de 7,46 MPa (não supera 40% do menor valor de resistência à tração e ao cisalhamento do PEAD de 20 MPa) e a maior razão de deformação dR/R foi de 1.0%. O caso mais crítico avaliado foi quando o reator está enterrado, totalmente vazio, em solo com Esolo = 1,55 MPa e o material com EPEAD = 1550 MPa e com uma sobrecarga superficial no terreno de 20kN/m2 gerando uma tensão de 17,80 MPa no elemento 1955 (atingindo 89% do menor valor de resistência à tração e ao cisalhamento do PEAD igual a 20 MPa). Os resultados obtidos comprovam que o reator produzido em PEAD substitui com vantagens os modelos fabricados em concreto ou alvenaria, suportando a pressão interna do biogás e a carga de biomassa. / The present work was developed to evaluate the potential of uses of an anaerobic reactor manufactured in HDPE High Density Polyethylene produced by the rotomolding process in substitution to the conventional reactors built in stonemasonry, working in a batch regime and buried in the soil. The state of tensions and the deformations were assessed using the program of Finite Elements ABAQUS version 6.5 and the mesh of the knots using the program MSC PATRAN 2005 forming 7329 knots and 2004 elements, in an optimized mesh for the areas of larger curvature (tension concentrator points). The loading is formed with an internal pressure of the biogas of 5kPa added of biomass hydrostatic load of 6000 kg in an elastic foundation calculated by the ratio pressure/settling starting from the Module of equivalent Elasticity of the soil (Esolo). Comparing the state of tensions assessed during the loading was possible to verify that the largest tension obtained in the most critical element goes the most probable utilization of the reactor, reached the value of 7, 46 MPa (it doesn't surpass 40% of the smallest resistance value to the traction and to the shearing strain of HDPE of 20 MPa) and the largest ratio of dR/R deformation was of 1.0%. The most critical assessed case was when the reactor is buried in soil with Esolo = 1,55 MPa and material with EPEAD = 1550 MPa, totally empty and with a superficial overload in the land of 20kN/m2 generating a tension of 17,80 MPa in the element 1955 (reaching 89% of the smallest resistance value to the traction and the shearing strain of a 20 MPa HDPE). The obtained results confirmed that the reactor produced in HDPE substitutes with advantages the models manufactured in stonemasonry, supporting the internal biogas pressure and the biomass load.

O presente trabalho foi desenvolvido para avaliar o potencial de utilização de um reator anaeróbico fabricado em PEAD Polietileno de Alta Densidade, produzido pelo processo de rotomoldagem em substituição aos reatores convencionais construídos em concreto e alvenaria, trabalhando em regime de batelada e enterrados no solo. Os estados de tensões e deformações foram avaliados utilizando o programa de Elementos Finitos ABAQUS versão 6.5 e a malha dos nós utilizando o programa MSC PATRAN 2005 formando 7329 nós e 2004 elementos, em uma malha otimizada para as regiões de maior curvatura (pontos concentradores de tensão). O carregamento é formado com uma pressão interna do biogás de 5 kPa acrescido da carga hidrostática de biomassa de 6000 kgf em uma fundação elástica calculada pela razão tensão/recalque a partir do Módulo de Elasticidade equivalente do solo (Esolo). Comparando o estado de tensões avaliado durante o carregamento foi possível constatar que a maior tensão obtida no elemento mais crítico para a utilização mais provável do reator atingiu o valor de 7,46 MPa (não supera 40% do menor valor de resistência à tração e ao cisalhamento do PEAD de 20 MPa) e a maior razão de deformação dR/R foi de 1.0%. O caso mais crítico avaliado foi quando o reator está enterrado, totalmente vazio, em solo com Esolo = 1,55 MPa e o material com EPEAD = 1550 MPa e com uma sobrecarga superficial no terreno de 20kN/m2 gerando uma tensão de 17,80 MPa no elemento 1955 (atingindo 89% do menor valor de resistência à tração e ao cisalhamento do PEAD igual a 20 MPa). Os resultados obtidos comprovam que o reator produzido em PEAD substitui com vantagens os modelos fabricados em concreto ou alvenaria, suportando a pressão interna do biogás e a carga de biomassa. / The present work was developed to evaluate the potential of uses of an anaerobic reactor manufactured in HDPE High Density Polyethylene produced by the rotomolding process in substitution to the conventional reactors built in stonemasonry, working in a batch regime and buried in the soil. The state of tensions and the deformations were assessed using the program of Finite Elements ABAQUS version 6.5 and the mesh of the knots using the program MSC PATRAN 2005 forming 7329 knots and 2004 elements, in an optimized mesh for the areas of larger curvature (tension concentrator points). The loading is formed with an internal pressure of the biogas of 5kPa added of biomass hydrostatic load of 6000 kg in an elastic foundation calculated by the ratio pressure/settling starting from the Module of equivalent Elasticity of the soil (Esolo). Comparing the state of tensions assessed during the loading was possible to verify that the largest tension obtained in the most critical element goes the most probable utilization of the reactor, reached the value of 7, 46 MPa (it doesn't surpass 40% of the smallest resistance value to the traction and to the shearing strain of HDPE of 20 MPa) and the largest ratio of dR/R deformation was of 1.0%. The most critical assessed case was when the reactor is buried in soil with Esolo = 1,55 MPa and material with EPEAD = 1550 MPa, totally empty and with a superficial overload in the land of 20kN/m2 generating a tension of 17,80 MPa in the element 1955 (reaching 89% of the smallest resistance value to the traction and the shearing strain of a 20 MPa HDPE). The obtained results confirmed that the reactor produced in HDPE substitutes with advantages the models manufactured in stonemasonry, supporting the internal biogas pressure and the biomass load.