[pt] A partir das equações de Williams e Creager foi desenvolvido um método híbrido, que acopla fotoelasticidade a um método numérico-computacional para determinação a dos fatores de intensificação de tensões (FIT) em placas planas sujeitas aos Modos I e II de abertura, com ou sem arredondamento na raiz do entalhe. Às equações propostas acopla-se um polinômio completo que representa uma tensão não-singular (sigma). Assim feito é possível a determinação dos coeficientes KI, KI e termos de sigma. Três programas de computador foram desenvolvidos para as formulações (Williams ou Creager): O primeiro: a partir da configuração das franjas isocromáticas, obtém-se KI e KII e os termos relativos à tensão não singular. O segundo: o desvio relativo a cada ordem de franja é determinado a partir dos termos acima. O terceiro: a partir dos valores determinados regenera-se as franjas isocromáticas para compara-las com as originais. As formulações foram testadas em modelos de barras com trincas e entalhes (com e sem arredondamento na raiz) e seus resultados comparados com dados disponíveis na literatura. Os fatores de influência na determinação de KI e KII, estudados foram: a quantidade de pontos e o ângulo delimitador da região de coleta de dados, bem como a influência dos termos referentes ao campo não singular e alguns aspectos do método numérico implementado. Como aplicação estudou-se o caso do corpo de prova tipo Charpy, onde, a partir das equações de Creager e dos valores de KI e KII assim determinados, pôde-se obter o valor de Kt para uma dada geometria. / [en] A hybrid method coupling photoelasticity to a numerical-computational method which implements the William s (modes I and II) and Creager s (mode I) equations has been developed to determine the mixed-mode stress intensity factors in sharp notches and blunt cracks. The equations take into account the presence or not of a radius in the tip of the notch. To the proposed equations was added a complete polynomial, which represents the non-singular stress field. Three computational programs were developed for both formulations (William s and Creager): one to determine KI, KII and the non-singular terms, the second to evaluate the error between the actual situation and the results obtained and the third to regenerate the isochromatic fringes. The method has been tested in bars with cracks and notches (taking or not into account the existence of the radius at the depth of the notch) and the results were compared to experimental and analytical data found in the literature. Factors which have influence on the determination of KI, KII, were discussed: the number of data points and sector angle where those points are collected as well as the influence of the number of non-singular terms and some aspects of the numeric method. Two applications were studied: Charpy type test specimen under tension and bending and a beam with deep simetrycal grooves. With the values of KI and KII obtained by the Creager s equations one can determine the valeu of sigma x and sigma y in the analyzed situation, as well as the Kt value.

[pt] Foram determinados experimentalmente fatores de concentração de tensões teóricos para placas e eixos com entalhes simétricos e circunferenciais em U sujeitos à combinação de esforços de flexão e tração, para as placas e, flexão e torção para os eixos. Os fatores obtidos foram plotados em gráficos para comparação com fatores determinados aplicando-se o princípio da superposição. Foram utilizadas as relações geométricas D / d = 1,5; 1,25; 1,10 e r/d = 0,30; 0,25; 0,20 para as placas. Para os eixos utilizaram-se apenas as relações 0/d = 1,3 e r/d = 0,25. Também foram obtidos fatores de concentração de tensões para os esforços puros e seus valores comparados com resultados já publicados. Os resultados para as placas foram obtidos a partir da fotoelasticidade bidimensional. Foi empregado o método fotoelástico tridimensional de congelamento de tensões para os eixos. Neste caso, os modelos foram cortados em finas fatias para separação das tensões. Para o estudo tridimensional foi utilizado um material desenvolvido no laboratório de Fotomecanica da PUC-RJ. / [en] Theoretical stress concentration factors were determined experimentally for bars and shafts with symmetrical and circunferential U – shaped grooves subjected to combinations of bending – tension loads for the bars and bending – torsion loads for the shafts. The stress concentration factors obtained were plotted to compare with the factors determined by application of the superposition effects. The geometric relations used for the bars were Dd = 1,5; 1,25; 1,10 and rd = 0,30; 0,25; 0,20. The geometric relations used for the shafts were Dd = 1,3 e rd = 0,25. The stress concentration factors were also determined for single loaded specimens and they were compared wuth data already published. The stress concentration factors for the bars were determined by the two – Dimensional photoelastic method. In the case of the shafts they were determined by the three – Dimensional photoelastic Method of stress Freezing. In this method, the models developed in the laboratory of Photomechanics of the Universidade Católica.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HallyjusADB_DISSERT.pdf: 2542860 bytes, checksum: a76cbfa6200b38f0f8ff5811d0315d59 (MD5) Previous issue date: 2011-02-18 / Composite materials have a wide application in various sectors, such as the medical field in the manufacture of prostheses, in automotive and aerospace. Thus it is essential to the development of new composite and a better understanding in the face of various loading conditions and service. Several structural elements are manufactured in the presence of geometric discontinuity (notch, hole, etc ) in their longitudinal sections and/or cross-cutting, and these affect the mechanical response of these elements. The objective is to study the mechanical response of laminated polymer matrix hybrid composites reinforced with glass fiber/jute in a uniaxial tensile test. The mechanical response takes in account both the influence of the presence of a geometric discontinuity (semicircular notches) and the orientation of fibers in the layers (anisotropy). The semicircular notches are located in longitudinal section (with a reduction in cross section) of the same. In this analysis, the anisotropy is characterized by types of configurations (with different orientations of fibers in the outer layers). A comparative study of mechanical properties with and without the presence of notches is developed. Both configurations consist of four layers of woven jute fiber bidirectional and a central layer of bidirectional woven glass fibers. In addition to the mechanical properties was also studied the characteristics of the fracture developed in each composite laminate. The results showed that in the comparative study, the anisotropy and the presence of semicircular notches directly influences the mechanical behavior of laminates composites, mainly in reducing the tensile strength, and well as the final characteristics of the fracture / Os materiais comp?sitos t?m uma ampla aplica??o nos mais variados setores, como por exemplo, na ?rea m?dica na confec??o de pr?teses, na ind?stria automotiva e no setor aeroespacial. Assim ? essencial o desenvolvimento de novos comp?sitos e uma melhor compreens?o frente ?s mais diversas condi??es de carga e servi?o. V?rios elementos estruturais s?o fabricados na presen?a de descontinuidade geom?trica (entalhe, furo etc.) em suas se??es longitudinais e/ou transversais, e essas prejudicam a resposta mec?nica desses elementos. O objetivo do trabalho ? estudar a resposta mec?nica de laminados comp?sitos h?bridos de matriz polim?rica refor?ado com fibras de vidro/juta em um ensaio de tra??o uniaxial. A resposta mec?nica leva em conta tanto a influ?ncia da presen?a de uma descontinuidade geom?trica (entalhes semicirculares) quanto da orienta??o das fibras nas camadas (anisotropia). Os entalhes semicirculares est?o localizados na se??o longitudinal (com redu??o da se??o transversal) dos mesmos. Nessa an?lise, a anisotropia ? caracterizada por dois tipos de configura??es (com diferentes orienta??es das fibras nas camadas externas). Um estudo comparativo das propriedades mec?nicas com e sem a presen?a dos entalhes ? desenvolvido. As duas configura??es consistem de quatro camadas de tecidos bidirecionais de fibras de juta e uma camada central de tecido bidirecional de fibras de vidro. Al?m das propriedades mec?nicas, tamb?m foi estudada as caracter?sticas da fratura desenvolvidas em cada laminado comp?sito. Os resultados mostraram que, no estudo comparativo, a anisotropia e a presen?a dos entalhes semicirculares influi diretamente no comportamento mec?nico dos laminados comp?sitos, principalmente na redu??o da resist?ncia ? tra??o, e bem como na caracter?stica final da fratura

As novas ligas de alumínio que contém lítio são atraentes devido à sua baixa densidade, alto módulo elástico, elevada resistência mecânica e por terem boa resistência à corrosão em comparação com ligas similares que não contém lítio. A degradação do material devido à fadiga e corrosão são os dois principais fatores que contribuem para o envelhecimento de uma aeronave. O objetivo deste trabalho é estudar a resistência à fadiga de uma nova liga de Al-Li, denominada de AA 2050-T84, considerando os estágios de nucleação e de propagação. No primeiro caso são avaliados o efeito da variação do concentrador de tensão (kt) e o efeito da razão de tensões (R), enquanto que no segundo caso são estudados os efeitos da direção de laminação e da razão de tensões (R) na taxa de propagação da trinca por fadiga. Para o estágio de iniciação é possível observar que quanto maior o valor de R, menor é a vida em fadiga. Para um R constante, o concentrador de tensão reduz significantemente a vida em fadiga. Considerando a vida de propagação de trinca por fadiga, observa-se que, independente da direção de laminação, quanto maior o valor de R, para um mesmo ΔK, maior foi a taxa de propagação de trinca. Para um mesmo R, o expoente m da equação de Paris é maior na direção TL indicando maior velocidade de crescimento de trinca. Independentemente da direção tomada, quanto maior o valor de R maior o valor de m. O modelo matemático utilizado previu muito bem o efeito de R na taxa de propagação de trinca. A liga AA 2050 apresenta resistência à fadiga similar ligas das famílias 2XXX e 7XXX e similar a da liga Al-Li AA 2198 T8. / The new Al-Li alloys are very attractive due to its low density, high elastic modulus, increased mechanical strength, as well as good corrosion resistance in comparison with similar alloys that don\'t contain lithium. The material\'s degradation due to fatigue and corrosion are the main factors of aircrafts aging, and it is quite important to take them in account to guarantee the aircraft structural integrity. The aim of this work is to study the fatigue strength of a new Al-Li alloy, denominated as AA 2050 T84, considering both nucleation and propagation fatigue lives. In the first case were evaluated the effect of the variation of the stress concentrator (kt) and the effect of the stress ratio (R), while in the propagation life were considered the effect of the rolling direction and the stress ratio (R). From the initiation life results, it is possible to observe that as higher was R, lower is fatigue life and that the intensity of the stress concentrator reduces fatigue life significantly, independent of the R value. The results from the propagation life shows that in both LT e TL directions and for a constant ΔK, higher R induces larger fatigue crack propagation rates. Considering a constant R, the TL direction presents a larger exponent m of Paris equation, which is an indicative of higher larger crack propagation rate. Also, larger R causes larger m, independently of the rolling direction. The mathematical model used was able to take in account the R effect on the crack propagation rate. Considering the more traditional Al alloys from 2XXX and 7XXX families, and the Ali-Li alloys AA 2198 T8, the AA 2050 presented a quite similar fatigue behavior.

[pt] A técnica de correlação digital de imagens (Digital Image Correlation, DIC) é uma técnica óptica de campo global que consiste na análise de imagens da superfície de um espécime antes e após seu carregamento para determinação de campos de deslocamentos e deformações. Neste trabalho foram usados um sistema DIC estereoscópico convencional 3D, para aplicações em campos de visão (macro) da ordem de 200mmx200mm, e um sistema DIC estereomicroscópico 3D, para aplicações em áreas tão pequenas quanto 1mm quadrado. Para a análise de deformações em campos com dimensões tão diferentes precisou-se desenvolver uma metodologia para controlar parâmetros da técnica DIC, tais como dimensões de pontos (speckles) impressos no espécime e tamanhos de subsets e steps usados para a correlação das imagens captadas. A seleção dos problemas estruturais para aplicação da técnica levou em conta não só a diversidade destes, como também o pioneirismo das aplicações de DIC a problemas nos quais podem ser gerados resultados que melhor ajudem na compreensão de suas facetas específicas. Assim, a técnica foi aplicada à medição de deformações em tubos com defeitos por suas vantagens de medição de grandes deformações e de visualização de regiões de interesse, sob a forma de campos globais de deformações. Na área de determinações de propriedades mecânicas de materiais compósitos, foram realizadas medições em espécimes não convencionais de resina epóxi reforçados por fibras de carbono ou fibras de vidro para determinação de suas propriedades elásticas. Por fim, foram realizadas medições em um espécime Compact Tension Specimen CTS de aço grau API 5LX60 contendo uma trinca e em espécimes com entalhes profundos (concentrações de tensões) constituídos por materiais distintos (policarbonato e alumínio), para obtenção de campos de deslocamentos e de deformações elastoplásticas. Nestas aplicações os resultados obtidos com a técnica DIC foram comparados com aqueles obtidos com modelos de elementos finitos (EF), com medições com extensômetros de resistência elétrica (strain gages) e com resultados analíticos publicados na literatura. Levando-se em conta as comparações feitas, a grande maioria dos experimentos realizados pode ser considerada satisfatória. Ao longo da tese foram descritas as adaptações, considerações e boas práticas consideradas necessárias para obtenção de bons resultados nas diferentes medições e para os diferentes aparatos experimentais utilizados. Estas recomendações serão bastante úteis para medições futuras ou mesmo para auxiliar na avaliação de confiabilidade de alguns resultados apresentados na literatura especializada. / [en] The digital image correlation (DIC) technique is a global field optical technique that consists in the analysis of images taken from the surface of a specimen before and after being subjected to a load, in order to determine displacement and strain fields. In the current work, both conventional 3D stereoscopic and micro-stereoscopic DIC systems were used, the former for applications in macroscopic fields of view (of the order of 200mm x 200mm), and the latter for applications in surface areas as small as 1mm square. For strain analysis in fields with such varied dimensions, the development of a methodology to control some parameters of the technique was required. Among the parameters to be controlled were dimensions of speckles printed on the specimen and size of the subsets and steps used in the image correlation procedure. The selection of structural problems to be analyzed by the DIC technique took into account not only diversity, but also the pioneering aspect in terms of DIC application to problems which can generate results that lead to a better comprehension of its specific issues. Hence, the technique was applied to the measurement of global strain fields in defective tubes, due to the advantages in measuring large strains and visualizing the regions of interest in such cases. For determination of the mechanical properties of composite materials, measurements were performed in non-conventional specimens made of epoxy resin and reinforced by carbon or glass fibers for evaluation of its elastic properties. Finally, measurements in a cracked Compact Tension Specimen (CTS) with degree of steel API 5LX60 and in specimens with deep notches (stress concentration) consisting of different materials (polycarbonate and aluminum) were carried out for estimation of displacement fields and elastoplastic strains. For those applications, the results were compared with those obtained from finite element models, from strain gages, and also with analytical results from the literature. Taking into account such comparisons, it can be said that the great majority of the experimental measurements was satisfactory. Throughout the current manuscript, the required adaptations, good practices needed to achieve reliable results from the different types of measurement and experimental apparatus, as well as other considerations, were carefully described. These recommendations will be quite useful for future measurements, or even to assist in the evaluation of the reliability of certain results presented in the specialized literature.

As novas ligas de alumínio que contém lítio são atraentes devido à sua baixa densidade, alto módulo elástico, elevada resistência mecânica e por terem boa resistência à corrosão em comparação com ligas similares que não contém lítio. A degradação do material devido à fadiga e corrosão são os dois principais fatores que contribuem para o envelhecimento de uma aeronave. O objetivo deste trabalho é estudar a resistência à fadiga de uma nova liga de Al-Li, denominada de AA 2050-T84, considerando os estágios de nucleação e de propagação. No primeiro caso são avaliados o efeito da variação do concentrador de tensão (kt) e o efeito da razão de tensões (R), enquanto que no segundo caso são estudados os efeitos da direção de laminação e da razão de tensões (R) na taxa de propagação da trinca por fadiga. Para o estágio de iniciação é possível observar que quanto maior o valor de R, menor é a vida em fadiga. Para um R constante, o concentrador de tensão reduz significantemente a vida em fadiga. Considerando a vida de propagação de trinca por fadiga, observa-se que, independente da direção de laminação, quanto maior o valor de R, para um mesmo ΔK, maior foi a taxa de propagação de trinca. Para um mesmo R, o expoente m da equação de Paris é maior na direção TL indicando maior velocidade de crescimento de trinca. Independentemente da direção tomada, quanto maior o valor de R maior o valor de m. O modelo matemático utilizado previu muito bem o efeito de R na taxa de propagação de trinca. A liga AA 2050 apresenta resistência à fadiga similar ligas das famílias 2XXX e 7XXX e similar a da liga Al-Li AA 2198 T8. / The new Al-Li alloys are very attractive due to its low density, high elastic modulus, increased mechanical strength, as well as good corrosion resistance in comparison with similar alloys that don\'t contain lithium. The material\'s degradation due to fatigue and corrosion are the main factors of aircrafts aging, and it is quite important to take them in account to guarantee the aircraft structural integrity. The aim of this work is to study the fatigue strength of a new Al-Li alloy, denominated as AA 2050 T84, considering both nucleation and propagation fatigue lives. In the first case were evaluated the effect of the variation of the stress concentrator (kt) and the effect of the stress ratio (R), while in the propagation life were considered the effect of the rolling direction and the stress ratio (R). From the initiation life results, it is possible to observe that as higher was R, lower is fatigue life and that the intensity of the stress concentrator reduces fatigue life significantly, independent of the R value. The results from the propagation life shows that in both LT e TL directions and for a constant ΔK, higher R induces larger fatigue crack propagation rates. Considering a constant R, the TL direction presents a larger exponent m of Paris equation, which is an indicative of higher larger crack propagation rate. Also, larger R causes larger m, independently of the rolling direction. The mathematical model used was able to take in account the R effect on the crack propagation rate. Considering the more traditional Al alloys from 2XXX and 7XXX families, and the Ali-Li alloys AA 2198 T8, the AA 2050 presented a quite similar fatigue behavior.

[pt] A grande maioria dos componentes estruturais possui entalhes que concentram localmente as tensões em torno de suas pontas. O fator de sensibilidade ao entalhe q, muito usado para quantificar o efeito deles em fadiga, pode ser associado à geração de trincas não propagantes quando SL(R)/Kt < σn < SL(R)/Kf, onde SL(R) é o limite de fadiga do material em uma dada razão R = σmin/σmax; Kt = σmax/σn é o fator de concentração de tensões (SCF, de stress concentration factor) do entalhe; σn é a amplitude de tensão nominal aplicada; σmax é a máxima tensão na ponta do entalhe; e Kf = 1 + q(Kt – 1) é o fator de concentração de tensões à fadiga, que quantifica o efeito dos entalhes na resistência à fadiga do componente entalhado. Partindo desse comportamento, recentemente foi desenvolvido um modelo para calcular q considerando a influência do gradiente de tensões à frente da raiz do entalhe no comportamento à fadiga de trincas mecanicamente curtas, usando apenas técnicas apropriadas de análise de tensões e as resistências à fadiga do material: o limite de fadiga e o limiar de propagação de trincas longas. Este modelo, cujas previsões foram validadas por vários experimentos apropriados, considera assim todas as características da geometria do entalhe e do carregamento em q, sem precisar de nenhum parâmetro ajustável. Nesse trabalho, esse critério é estendido para tratar problemas de Trincamento Assistido por Meios Corrosivos (EAC), considerando apropriadamente parâmetros de análise de tensão. O efeito da corrosão é quantificado pela resistência do material ao trincamento por EAC, SEAC, e pelo limiar de propagação em condições de EAC, KIEAC, ambos medidos no ambiente agressivo em questão. Esse modelo em particular prevê a existência de uma sensibilidade ao entalhe qc em problemas de EAC quando SEAC/Kt < σmax < SEAC/[1 + qc(Kt - 1)], que pode ser mecanicamente quantificada por técnicas análogas àquelas utilizadas com sucesso para quantificar q em fadiga. Para comprovar experimentalmente a validade do modelo nestas condições, foi escolhido o par {Alumínio (Al) 2024 recozido – Gálio (Ga)} na temperatura de 35ºC, devido à rapidez da sua reação de trincamento sob EAC, a qual permite que suas propriedades básicas, SEAC and KIEAC, sejam determinados rapidamente. Usando somente a mecânica proposta neste novo modelo e as resistências básicas do material à EAC, 8 corpos de prova entalhados foram projetados para alcançar e suportar a máxima tensão na ponta de seus entalhes duas vezes maiores do que SEAC. O modelo prevê que isso é possível devido à interação do gradiente de tensões à frente da ponta do entalhe com a pequena trinca nele iniciada, que permanece não propagante nessas condições. Como nenhum dos corpos de prova assim projetados falhou nesses testes, pode-se concluir que aqueles ensaios suportam a eficácia do modelo, o qual pode ser bastante útil como ferramenta de dimensionamento mecânico no tratamento do efeito de entalhes em problemas de EAC. / [en] The vast majority of structural components have notches that locally concentrate stresses around their tips. The notch sensitivity factor q, widely used to quantify the effect of such notches on fatigue, can be associated with the generation of non-propagating cracks at the notch tips in fatigue tests when SL(R)/Kt < σn < SL(R)/Kf, where SL(R) is the fatigue limit of the material at a given R = σmin/σmax ratio; Kt = σmax/σn is the stress concentration factor (SCF) of the notch; σn is the amplitude of the nominal stress that loads it; σmax is the maximum stress at the notch tip; and Kf = 1 + q(Kt – 1) is the (effective) fatigue SCF, which quantifies the actual notch effect on the fatigue strength of the notched component. Based on this behavior, a model was recently developed to calculate q considering the influence of the stress gradient ahead of the notch tip on the fatigue behavior of mechanically short cracks, using only proper stress analysis techniques and the basic fatigue properties of the material, its fatigue limit and long crack propagation threshold. This model, whose predictions were validated by various appropriated experiments, considers the entire notch geometry and loading characteristics on q, without the need of any data-fitting parameter. In this study, this criterion is extend to properly treat environmentally assisted cracking (EAC) problems considering stress analysis issues. The corrosion effects are quantified by the material resistance to EAC, SEAC, and by its crack propagation threshold under EAC conditions, KIEAC, both measured in the aggressive environment in question. This model in particular predicts the existence of a notch sensitivity qc in EAC problems as well, when SEAC/Kt < σmax < SEAC/[1 + qc(Kt - 1)], which can be mechanically quantified by techniques analogous to those successfully used to quantify q in fatigue. To experimentally prove the validity of this model under EAC conditions, the pair material/aggressive medium chosen is an annealed 2024 Al alloy and Ga at 35oC, due to its very fast EAC reaction, which allows its basic properties, SEAC and KIEAC, to be quickly determined. Using only the mechanics proposed in this new model and the basic material resistances to EAC, 8 notched test specimens were designed to reach and survive to maxima stresses at the tip of their notches twice as large as SEAC. The model predicts that this is possible due to the interaction of the stress gradient ahead of the notch tip with the small crack initiated there, which is non-propagating under such conditions. Since none of the specimens failed in the designed tests, it can be concluded that they support the effectiveness of the model, which may thus be quite useful as a mechanical tool to treat notch effects in EAC problems.