O trabalho apresenta uma metodologia para a simulação de abertura e fechamento de trinca, durante o processo de propagação, utilizando um programa comercial de elementos finitos. Este programa é utilizado para determinar os fatores de intensidade de tensão de abertura e fechamento de trinca. É apresentado o modelo de Newman que serve de embasamento para o desenvolvimento da metodologia de liberação de nós na carga mínima, utilizada no trabalho para a propagação da trinca. São avaliados quatro tipos de corpos de prova SE-(B) (corpo de prova de três pontos de apoio submetido a flexão), SE-(T)(corpo de prova com trinca lateral submetido a tração), M-(T) (corpo de prova com trinca central submetido a tração) de uma liga de alumínio Al 2024-T351 e um aço bifásico ( ferrita + martensita). Um corpo de prova do tipo C-(T) (corpo de prova compacto submetido a tração) de aço bifásico também foi avaliado. Os corpos de prova SE-(B), SE-(T) e M-(T) da liga de alumínio Al 2024-T351 foram submetidos a carregamentos de amplitude constante, com razões de carga R = 0 e R = 0,5. Os resultados das análises são comparados com resultados do código FASTRAN, principal código numérico utilizado para simular abertura e fechamento de trinca por plasticidade induzida, através de uma normalização dos fatores de intensidade de tensão máxima e de abertura da trinca. Os resultados numéricos com o corpo de prova C-(T) submetido a carregamento de amplitude constante, com razão de carga R = 0,1 foram comparados com resultados de ensaio, objetivando validar o fator de intensidade de fechamento de trinca obtido através da análise numérica. Essa comparação é feita através de normalização numérica e experimental do fator de intensidade de tensão de fechamento de trinca com o fator de intensidade de tensão máxima. A metodologia de simulação de propagação de trincas, já aplicada na industria aeronáutica, pode ser aplicada em outras áreas como, por exemplo, na indústria automotiva, uma vez que o consumidor está cada vez mais exigente e o desenvolvimento de novos critérios de projeto se faz necessário. / The work introduces a methodology to simulate fatigue crack opening and closing during crack propagation, using a commercial finite element code. This code is used to determine the crack opening and closure stress intensity factors. The Newman model is used as a baseline to develop the methodology. The nodes are released at the minimum load, during the crack propagation process. Four kinds of specimens SE-(T) ( Single Edge Tension), SE-(B) ( Single Edge Bending), M-(T) ( Middle Tension) of the an aluminum alloy Al–2024-T351 and a dual phase steel (ferrite + martensite) were evaluated. A compact tension specimen C-(T) of a dual phase steel was evaluated. The aluminum alloy specimens, SE -(T), SE-(B) and M-(T), were evaluated under constant amplitude loading with load ratios R = 0 and R = 0.5. The results of these analyses are compared with the results of FASTRAN, principal numerical code used to simulate crack opening and closing plasticity induced by, normalizing the opening stress intensity factor. The numerical results from a C-(T) specimen, under constant amplitude loading and a load ratio R = 0.1, were compared with results from a test performed in the laboratory. The numerical and experimental closure stress intensity factors are normalized with the maximum stress intensity factor. Crack closure simulations are currently used in the aircraft industry. They are now being incorporated in same automotive and other ground vehicle fatigue analysis procedures.

O trabalho apresenta uma metodologia para a simulação de abertura e fechamento de trinca, durante o processo de propagação, utilizando um programa comercial de elementos finitos. Este programa é utilizado para determinar os fatores de intensidade de tensão de abertura e fechamento de trinca. É apresentado o modelo de Newman que serve de embasamento para o desenvolvimento da metodologia de liberação de nós na carga mínima, utilizada no trabalho para a propagação da trinca. São avaliados quatro tipos de corpos de prova SE-(B) (corpo de prova de três pontos de apoio submetido a flexão), SE-(T)(corpo de prova com trinca lateral submetido a tração), M-(T) (corpo de prova com trinca central submetido a tração) de uma liga de alumínio Al 2024-T351 e um aço bifásico ( ferrita + martensita). Um corpo de prova do tipo C-(T) (corpo de prova compacto submetido a tração) de aço bifásico também foi avaliado. Os corpos de prova SE-(B), SE-(T) e M-(T) da liga de alumínio Al 2024-T351 foram submetidos a carregamentos de amplitude constante, com razões de carga R = 0 e R = 0,5. Os resultados das análises são comparados com resultados do código FASTRAN, principal código numérico utilizado para simular abertura e fechamento de trinca por plasticidade induzida, através de uma normalização dos fatores de intensidade de tensão máxima e de abertura da trinca. Os resultados numéricos com o corpo de prova C-(T) submetido a carregamento de amplitude constante, com razão de carga R = 0,1 foram comparados com resultados de ensaio, objetivando validar o fator de intensidade de fechamento de trinca obtido através da análise numérica. Essa comparação é feita através de normalização numérica e experimental do fator de intensidade de tensão de fechamento de trinca com o fator de intensidade de tensão máxima. A metodologia de simulação de propagação de trincas, já aplicada na industria aeronáutica, pode ser aplicada em outras áreas como, por exemplo, na indústria automotiva, uma vez que o consumidor está cada vez mais exigente e o desenvolvimento de novos critérios de projeto se faz necessário. / The work introduces a methodology to simulate fatigue crack opening and closing during crack propagation, using a commercial finite element code. This code is used to determine the crack opening and closure stress intensity factors. The Newman model is used as a baseline to develop the methodology. The nodes are released at the minimum load, during the crack propagation process. Four kinds of specimens SE-(T) ( Single Edge Tension), SE-(B) ( Single Edge Bending), M-(T) ( Middle Tension) of the an aluminum alloy Al–2024-T351 and a dual phase steel (ferrite + martensite) were evaluated. A compact tension specimen C-(T) of a dual phase steel was evaluated. The aluminum alloy specimens, SE -(T), SE-(B) and M-(T), were evaluated under constant amplitude loading with load ratios R = 0 and R = 0.5. The results of these analyses are compared with the results of FASTRAN, principal numerical code used to simulate crack opening and closing plasticity induced by, normalizing the opening stress intensity factor. The numerical results from a C-(T) specimen, under constant amplitude loading and a load ratio R = 0.1, were compared with results from a test performed in the laboratory. The numerical and experimental closure stress intensity factors are normalized with the maximum stress intensity factor. Crack closure simulations are currently used in the aircraft industry. They are now being incorporated in same automotive and other ground vehicle fatigue analysis procedures.

Este estudo avaliou propriedades de fratura e seus parâmetros de superfície em composições de pasta de cimento de mesma porosidade capilar, variando o teor de filler calcário como substituinte ao cimento comercial. Ainda, para avaliação do efeito em composições de argamassa, foi avaliada a capacidade de redução de água que essa adição pode proporcionar e seu efeito na resistência mecânica. A avaliação dos parâmetros de fratura ocorreu por ensaio de flexão por carregamento em três pontos, com controle por taxa de deslocamento e as análises de superfície por ensaio de interferometria, em seções de fratura e entalhe. O aumento do teor de filler calcário proporcionou redução da demanda de água nas argamassas, para mesmo comportamento. A redução da demanda foi ainda maior para as composições dispersas com aditivo, em relação à referência com aditivo. As resistências à compressão das argamassas apresentaram boa correlação em relação ao ajuste com todas as composições, enquanto foi observado que argamassas de médio teor de filler podem apresentar mesma resistência à flexão que as argamassas de referência, mesmo que estas apresentem menor porosidade capilar. As pastas ensaiadas à flexão por carregamento três pontos não apresentaram comportamento quase-frágil, impedindo o cálculo da energia de fraturamento. Isto ocorreu devido ao método de ensaio adotado, com configuração inadequada, e que pode ser ajustada através da redução da taxa de deslocamento do ensaio, da geometria dos corpos de prova ou da geometria dos entalhes produzidos. Todas as composições apresentaram insensibilidade à profundidade de entalhe sob as condições de ensaio adotadas, possivelmente devido às falhas de configuração do método. As médias de resistência à flexão e do fator de intensidade de tensão crítico foram maiores para a composição de alto teor de filler, seguidos da referência e da composição de médio teor de filler, respectivamente. Em todas as análises e tipos de superfície estudadas, as composições de alto teor de filler apresentaram maior índice de rugosidade e amplitude entre picos e vales, enquanto não foi identificada diferença entre a referência e a composição de médio teor de filler. Estes dois parâmetros e a raiz quadrática da rugosidade indicaram que a rugosidade das superfícies fraturadas é maior que em superfícies cortadas com disco diamantado. / This study assesses fracture properties and their surface parameters in cement paste compositions of the same capillary porosity, varying the filler content of limestone as a substitute for commercial cement. Also, to evaluate the effect in mortar compositions, the water reduction capacity that this addition can provide and its effect on the mechanical resistance was evaluated. The evaluation of the fracture parameters was performed by three-point loading flexion test with displacement rate control and surface analysis by interferometry test in fracture and notch sections. The increase of limestone filler provided a reduction of the water demand in the mortars, in relation to the reference, for spreading of 265mm in table of consistency. The water demand reduction was even greater for compositions dispersed with admixture, relative to the reference with admixture. The compressive strength of the mortars presented a good correlation in the fit with all the compositions, while it was observed that mortars of medium filler content may have the same flexural strength as the reference mortars, even if they have lower capillary porosity. The pastes tested by three-point loading did not exhibit quasi-fragile behavior, preventing the calculation of fracturing energy. This was due to the inadequately configured test method adopted, which can be adjusted by reducing the test displacement rate, the geometry of the specimens or the geometry of the notches produced. All compositions presented insensitivity to the notch depth under the test conditions adopted, possibly due to method configuration failures. The averages of flexural strength and critical stress intensity factor were higher for the high filler composition, followed by the reference and medium filler composition, respectively. In all analyzes and surface types studied, high filler compositions presented higher roughness and amplitude index between peaks and valleys, while no difference between the reference and medium filler composition was identified. These two parameters and the quadratic root roughness indicated that the roughness of the fractured surfaces is greater than on surfaces cut with diamond disc.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Capa.pdf: 170642 bytes, checksum: b2fceb213a41d92382392df8b6c975b5 (MD5) Previous issue date: 2007-07-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo principal deste trabalho foi desenvolver um elemento finito singular O para determinar o fator de intensidade de tensão K1 com precisão. Este elemento singular e o elemento Quarter-pojnt são utilizados para duas aplicações bastante comuns: uma placa com trinca central com carregamento de tração e uma viga com trinca lateral e ao carregamento de flexão. Neste trabalho são mostrados em detalhes as malhas as nas analises e os métodos da Extrapolação e da Tangente para o deslocamento e tensão empregados para o cálculo do Fator de Intensidade de Tensão K1. Os resultados de métodos foram comparados com os resultados analíticos para o fator de intensidade de tensão K1. Os melhores resultados encontrados para K1 foram obtidos com o a Extrapolação de deslocamento e com o elemento finito singular apresentado neste trabalho.

Neste trabalho apresenta-se a formulação do problema de múltiplas fissuras baseada numa abordagem de superposição utilizada pelo Método da Partição (Splitting Method). Um dos objetivos principais deste trabalho refere-se à aferição da capacidade deste método na obtenção de fatores de intensidade de tensão, tendo em vista o seu desenvolvimento recente e a ausência de outras fontes de pesquisa além daquelas oriundas dos seus próprios autores. Segundo a abordagem do Método da Partição, os fatores de intensidade de tensão finais de uma estrutura podem ser encontrados a partir da sobreposição de três subproblemas. Deste modo, o problema é resolvido mediante imposição de que nas faces das fissuras as tensões que resultam da sobreposição sejam nulas. Sendo assim, apresenta-se a formulação do Método da Partição para uma ou mais fissuras e diversas análises numéricas que contemplam interação entre fissuras submetidas aos modos I e II de abertura. Outra etapa do trabalho refere-se à aplicação do Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG) num dos subproblemas, dito local, ao invés do emprego do Método dos Elementos Finitos (MEF), que em sua forma convencional pode requerer um refinamento excessivo da malha, particularmente junto à ponta da fissura, aumentando o custo computacional da análise. Exemplos de simulação numérica são apresentados no sentido de comprovar que a utilização do MEFG viabiliza a obtenção de resultados com boa aproximação mesmo com malhas pouco refinadas, reduzindo significativamente o custo computacional de toda a análise. Além disto, é apresentada a formulação do Método da Partição para casos que contemplam também fissuras internas, uma vez que a formulação atual admite somente fissuras de borda. / This work presents the formulation of the problem of multiple cracks based on an superposition approach used by the Splitting Method. The main goal of this work concerns the verification of the ability of this method of obtaining stress intensity factors, in view of its recent development and the absence of other research sources beyond those derived from their own authors. According to the approach of Splitting Method, the final stress intensity factors of a structure can be found from the superposition of three subproblems. Thus, the problem is solved by superposition and then imposing the nullity of the stresses on the faces of cracks. Thus, the formulation of the Splitting Method is presented to one or more cracks and also several numerical simulations that consider the interaction between cracks subjected to opening mode I and II. Another part of this work concerns the application of the Generalized Finite Element Method (GFEM) in the local subproblem instead of the use of Finite Element Method (FEM), which in its conventional form may require an excessive mesh refinement, particularly near the tip the crack, increasing the computational cost of analysis. Examples of numerical simulation are presented in order to show that the use of GFEM enables to obtain results with good approximation even with little refined meshes, thus significantly reducing the computational cost of the entire analysis. Moreover, the formulation of the Splitting Method is presented for cases which also have internal cracks due to the current formulation admits only boundary cracks.

Neste trabalho, apresenta-se a formulação do método dos elementos de contorno dual (MECD) aplicada a análise de problemas da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL). O objetivo da pesquisa consiste em avaliar o fator de intensidade de tensão (FIT) de sólidos bidimensionais fraturados, por meio de três técnicas distintas, quais são: a técnica da correlação dos deslocamentos, a técnica com base no estado de tensão na extremidade da fratura e a técnica da integral. As análises são realizadas utilizando o código computacional desenvolvido durante a pesquisa, que incorpora as formulações diretas em deslocamento e em força de superfície, do método dos elementos de contorno (MEC), com destaque para a utilização dos elementos de contorno curvos de ordem qualquer. No MECD as equações integrais singulares do tipo O(\'R POT.-1\') e O(\'R POT.-2\') são avaliadas satisfatoriamente com o Método da Subtração de Singularidade (MSS). Dessas integrais resultam termos analíticos, os quais são avaliados por meio do Valor Principal de Cauchy (VPC) e da Parte Finita de Hadamard (PFH). Compara-se o código desenvolvido com as soluções analíticas encontradas na literatura inclusive na análise de sólidos com fraturas predefinidas e para a avaliação do FIT, que produziram bons resultados. / This work presents the dual boundary element formulation applied to linear crack problem. The goal of this research is the evaluation of stress intensity factor for two-dimensional crack problem using three different techniques, which are: the technique of correlation of displacements, the technique based on the state of tension at the crack tip and J integral. The analysis is performed using the computational code developed during the research, which incorporates the direct formulations related to displacement and traction boundary element equation. A greater emphasis is given to the use of curved boundary element of any order. In the dual boundary element method the singular integral equations with singular others O(\'R POT.-1\') and O(\'R POT.-2\') are assessed satisfactorily with the application of the singularity subtraction method. The results of these singular integrals are evaluated by the Cauchy Principal Value and the Hadamard Finite Part. The code developed is compared with the analytical solutions found in the literature including the analysis of solids with fractures default and evaluation of stress intensity factor, which produced good results.

Este trabalho trata da análise de problemas da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL) utilizando o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Esse método constitui uma poderosa e precisa técnica de análise numérica. A necessidade da discretização somente do contorno do modelo é um dos grandes atrativos do MEC. Na Mecânica da Fratura, o MEC é adequado pela própria natureza de sua formulação, a qual está baseada em soluções fundamentais. Dentre os parâmetros da MFEL, destaca-se o Fator de Intensidade de Tensão (FIT). No presente desenvolvimento, esse parâmetro é analisado numericamente pela técnica da correlação dos deslocamentos e por uma técnica alternativa a qual emprega o campo de tensões presente na extremidade da trinca. A direção do crescimento da trinca é analisada por meio do critério da Máxima Tensão Circunferencial. Os resultados obtidos são comparados à solução analítica e a outros resultados encontrados na literatura. / This work deals with the analysis of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) problems using the Boundary Element Method (BEM). This method is a powerful and accurate technique of numerical analysis. The need of discretization only of the boundary of the model is one of the major advantageous features of the BEM. In Fracture Mechanics, the BEM is adequate due to its intrinsic formulation, which is based on fundamental solutions. In the LEFM, the Stress Intensity Factors (SIF) is one of the most important parameters. In the present study, this parameter is numerically analyzed by the correlation displacement technique and by an alternative technique which considers the stress field at the crack tip. The direction of the crack growth is analyzed using the criterion of Maximum Circumferential Stress. The results are compared to the analytical solution and to other results of literature.

Este trabalho trata da análise de problemas da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL) utilizando o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Esse método constitui uma poderosa e precisa técnica de análise numérica. A necessidade da discretização somente do contorno do modelo é um dos grandes atrativos do MEC. Na Mecânica da Fratura, o MEC é adequado pela própria natureza de sua formulação, a qual está baseada em soluções fundamentais. Dentre os parâmetros da MFEL, destaca-se o Fator de Intensidade de Tensão (FIT). No presente desenvolvimento, esse parâmetro é analisado numericamente pela técnica da correlação dos deslocamentos e por uma técnica alternativa a qual emprega o campo de tensões presente na extremidade da trinca. A direção do crescimento da trinca é analisada por meio do critério da Máxima Tensão Circunferencial. Os resultados obtidos são comparados à solução analítica e a outros resultados encontrados na literatura. / This work deals with the analysis of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) problems using the Boundary Element Method (BEM). This method is a powerful and accurate technique of numerical analysis. The need of discretization only of the boundary of the model is one of the major advantageous features of the BEM. In Fracture Mechanics, the BEM is adequate due to its intrinsic formulation, which is based on fundamental solutions. In the LEFM, the Stress Intensity Factors (SIF) is one of the most important parameters. In the present study, this parameter is numerically analyzed by the correlation displacement technique and by an alternative technique which considers the stress field at the crack tip. The direction of the crack growth is analyzed using the criterion of Maximum Circumferential Stress. The results are compared to the analytical solution and to other results of literature.

Neste trabalho, apresenta-se a formulação do método dos elementos de contorno dual (MECD) aplicada a análise de problemas da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL). O objetivo da pesquisa consiste em avaliar o fator de intensidade de tensão (FIT) de sólidos bidimensionais fraturados, por meio de três técnicas distintas, quais são: a técnica da correlação dos deslocamentos, a técnica com base no estado de tensão na extremidade da fratura e a técnica da integral. As análises são realizadas utilizando o código computacional desenvolvido durante a pesquisa, que incorpora as formulações diretas em deslocamento e em força de superfície, do método dos elementos de contorno (MEC), com destaque para a utilização dos elementos de contorno curvos de ordem qualquer. No MECD as equações integrais singulares do tipo O(\'R POT.-1\') e O(\'R POT.-2\') são avaliadas satisfatoriamente com o Método da Subtração de Singularidade (MSS). Dessas integrais resultam termos analíticos, os quais são avaliados por meio do Valor Principal de Cauchy (VPC) e da Parte Finita de Hadamard (PFH). Compara-se o código desenvolvido com as soluções analíticas encontradas na literatura inclusive na análise de sólidos com fraturas predefinidas e para a avaliação do FIT, que produziram bons resultados. / This work presents the dual boundary element formulation applied to linear crack problem. The goal of this research is the evaluation of stress intensity factor for two-dimensional crack problem using three different techniques, which are: the technique of correlation of displacements, the technique based on the state of tension at the crack tip and J integral. The analysis is performed using the computational code developed during the research, which incorporates the direct formulations related to displacement and traction boundary element equation. A greater emphasis is given to the use of curved boundary element of any order. In the dual boundary element method the singular integral equations with singular others O(\'R POT.-1\') and O(\'R POT.-2\') are assessed satisfactorily with the application of the singularity subtraction method. The results of these singular integrals are evaluated by the Cauchy Principal Value and the Hadamard Finite Part. The code developed is compared with the analytical solutions found in the literature including the analysis of solids with fractures default and evaluation of stress intensity factor, which produced good results.

Neste trabalho apresenta-se a formulação do problema de múltiplas fissuras baseada numa abordagem de superposição utilizada pelo Método da Partição (Splitting Method). Um dos objetivos principais deste trabalho refere-se à aferição da capacidade deste método na obtenção de fatores de intensidade de tensão, tendo em vista o seu desenvolvimento recente e a ausência de outras fontes de pesquisa além daquelas oriundas dos seus próprios autores. Segundo a abordagem do Método da Partição, os fatores de intensidade de tensão finais de uma estrutura podem ser encontrados a partir da sobreposição de três subproblemas. Deste modo, o problema é resolvido mediante imposição de que nas faces das fissuras as tensões que resultam da sobreposição sejam nulas. Sendo assim, apresenta-se a formulação do Método da Partição para uma ou mais fissuras e diversas análises numéricas que contemplam interação entre fissuras submetidas aos modos I e II de abertura. Outra etapa do trabalho refere-se à aplicação do Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG) num dos subproblemas, dito local, ao invés do emprego do Método dos Elementos Finitos (MEF), que em sua forma convencional pode requerer um refinamento excessivo da malha, particularmente junto à ponta da fissura, aumentando o custo computacional da análise. Exemplos de simulação numérica são apresentados no sentido de comprovar que a utilização do MEFG viabiliza a obtenção de resultados com boa aproximação mesmo com malhas pouco refinadas, reduzindo significativamente o custo computacional de toda a análise. Além disto, é apresentada a formulação do Método da Partição para casos que contemplam também fissuras internas, uma vez que a formulação atual admite somente fissuras de borda. / This work presents the formulation of the problem of multiple cracks based on an superposition approach used by the Splitting Method. The main goal of this work concerns the verification of the ability of this method of obtaining stress intensity factors, in view of its recent development and the absence of other research sources beyond those derived from their own authors. According to the approach of Splitting Method, the final stress intensity factors of a structure can be found from the superposition of three subproblems. Thus, the problem is solved by superposition and then imposing the nullity of the stresses on the faces of cracks. Thus, the formulation of the Splitting Method is presented to one or more cracks and also several numerical simulations that consider the interaction between cracks subjected to opening mode I and II. Another part of this work concerns the application of the Generalized Finite Element Method (GFEM) in the local subproblem instead of the use of Finite Element Method (FEM), which in its conventional form may require an excessive mesh refinement, particularly near the tip the crack, increasing the computational cost of analysis. Examples of numerical simulation are presented in order to show that the use of GFEM enables to obtain results with good approximation even with little refined meshes, thus significantly reducing the computational cost of the entire analysis. Moreover, the formulation of the Splitting Method is presented for cases which also have internal cracks due to the current formulation admits only boundary cracks.