O presente trabalho propõe uma metodologia para o cálculo da vida e do coeficiente de segurança à fadiga, ou fatigue factor, para mancais hidrodinâmicos, mais comumente chamados de bronzinas. A metodologia proposta é confrontada com os resultados de um teste de fadiga dos referidos componentes, no qual se determina o limite de resistência à fadiga, ou endurance limit, pela análise estatística dos dados. Utilizou-se para tanto o método Staircase. Tal confrontação de resultados possibilita não só a validação experimental da metodologia proposta para a condição do teste efetuado, como também a proposição de futuros estudos com a finalidade de se estender o uso da metodologia não somente para bronzinas fabricadas com outros materiais, como também para a previsão da fadiga na condição de operação dos motores de combustão interna automotivos e também sua utilização em outros componentes mecânicos, como por exemplo molas de suspensão, desde que trabalhem em regime elástico. / The present work proposes a calculation methodology to predict the fatigue life as well as the fatigue safety factor, called fatigue factor, for the plain bearings. The proposed methodology is confronted with the results of a bearings fatigue test, performed to determine the endurance limit with the Staircase statistical analysis method. The results confrontation experimentally validates the proposed methodology, for the performed tests condition. Future studies are proposed to extend the methodology validation not only to bearings made with different materials, but also to predict fatigue on bearings under operation conditions of automotive internal combustion engines and its usage to other mechanical components under linear elastic behavior, such as suspension springs.

O presente trabalho propõe uma metodologia para o cálculo da vida e do coeficiente de segurança à fadiga, ou fatigue factor, para mancais hidrodinâmicos, mais comumente chamados de bronzinas. A metodologia proposta é confrontada com os resultados de um teste de fadiga dos referidos componentes, no qual se determina o limite de resistência à fadiga, ou endurance limit, pela análise estatística dos dados. Utilizou-se para tanto o método Staircase. Tal confrontação de resultados possibilita não só a validação experimental da metodologia proposta para a condição do teste efetuado, como também a proposição de futuros estudos com a finalidade de se estender o uso da metodologia não somente para bronzinas fabricadas com outros materiais, como também para a previsão da fadiga na condição de operação dos motores de combustão interna automotivos e também sua utilização em outros componentes mecânicos, como por exemplo molas de suspensão, desde que trabalhem em regime elástico. / The present work proposes a calculation methodology to predict the fatigue life as well as the fatigue safety factor, called fatigue factor, for the plain bearings. The proposed methodology is confronted with the results of a bearings fatigue test, performed to determine the endurance limit with the Staircase statistical analysis method. The results confrontation experimentally validates the proposed methodology, for the performed tests condition. Future studies are proposed to extend the methodology validation not only to bearings made with different materials, but also to predict fatigue on bearings under operation conditions of automotive internal combustion engines and its usage to other mechanical components under linear elastic behavior, such as suspension springs.

Thesis (Ph.D.)--Polymer, Textile and Fiber Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Realff, Mary L.; Committee Member: Graham, Samuel; Committee Member: Jacob, Karl I.; Committee Member: May, Gary; Committee Member: Shofner, Meisha.

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Les surfaces de rupture par fatigue peuvent représenter les aspects complexes en fonction de: type de matériau, le mécanisme de condition de sollicitations mécaniques, environnement ambiant etc.Dans le cadre des chargements complexes ou variables les surfaces de rupture sont encore plus difficiles à analyser, car de telles sollicitations peuvent engendrer les changements de mécanismes dans certains matériaux.Dans le cadre de changements variables, l'une des questions importantes est la connaissance de la vitesse de croissance des fissures.Des techniques actuelles de mesures de vitesse font appel aux mesures optiques ou aux mesures indirectes de mesures de la cinétique de croissance de fissures.Une méthode élégante consiste à faire des cycles marqueurs qui permettent de laisser une marque sur la surface de rupture que l'on ensuite identifier par analyse au microscope à balayage.A cette fin on peut utiliser : - les petites surcharges, les sous charges, les cycles en dessous du seuil de non propagation, un changement de température etc.Le but de travail de thèse serait de développer les cycles marqueurs sur trois matériaux:un alliage d'aluminium, un acier et un caoutchouc synthétique.L'idée étant de développer des cycles de marquage sans modifier le cinétique de propagation.Les essais comparatifs de fissuration seront menés avec ou sans cycles de marquage pour vérifier cette hypothèse.Le travail expérimental sera effectué au LMR (machine de fatigue) ainsi que l'analyse MEB. / The fracture surfaces of fatigue can represent complex aspects according to:type of material, provided mechanism of mechanical stresses, ambient environment, etc.Under complex loadings or variable ones, fracture surfaces are more difficult to analyze because such changes can cause change in mechanisms in certain materials.Under variable amplitudes, one of the important issues is the knowledge of the crack growth rate.Current techniques involve optical measurements or indirect ones that measures the kinetics of crack growth.An elegant method is to generate marker bands that can leave a mark on the fracture surface which is then identified by scanning electron microscope analysis.For this purpose one can use: - small overload, under load, cycles below the threshold, a change of temperature, etc.The aim of this thesis is to develop the technique of marker bands on three materials:an aluminum alloy, steel and synthetic rubber.The idea is to develop this technique without changing the propagation kinetics.The experiments will be conducted by fatigue cracking with or without marking marker bands to test this hypothesis.The experimental work has been carried out in LMR laboratory.

Esta tese investiga o efeito do fechamento de trinca sobre as previsões da vida à fadiga em materiais homogêneos e juntas soldadas. É apresentada uma metodologia para a simulação numérica do fenômeno de fechamento de trinca induzido por plasticidade utilizando o método dos elementos finitos. Ensaios laboratoriais de propagação de trinca por fadiga do aço ASTM A516 Gr. 70 à temperatura ambiente foram realizados usando corpos de prova típicos da mecânica da fratura nas condições soldada e homogênea. Estes resultados foram usados para validar a metodologia numérica do cálculo da carga de abertura de trinca. Comparações entre a vida de propagação experimental e as estimativas obtidas por meio da integração da lei de propagação, incluindo o efeito do fechamento de trinca, foram feitas usando vários critérios para o cálculo da carga de abertura. As análises numéricas permitem estimar a carga de abertura de trinca analisando a evolução do campo de tensões, deformações e deslocamentos na região próxima à trinca, que está influenciada pelo contato das faces da trinca. Menores níveis de proteção da trinca devido ao fechamento foram obtidos para o corpo com heterogeneidade mecânica quando comparado ao corpo homogêneo na modelagem numérica. Durante o ensaio de propagação o corpo homogêneo apresentou taxas de propagação de trinca relativamente menores quando comparadas ao espécime soldado. A não inclusão do efeito do fechamento de trinca resulta em previsões da vida à fadiga conservadoras em aproximadamente 20% para todos os casos estudados neste trabalho. Análises tridimensionais do fenômeno de fechamento de trinca revelam que o crescimento da trinca por fadiga no estagio II parece estar controlado pelo retardo que acontece na superfície do corpo de prova. Incluído o efeito do fechamento de trinca nas previsões, as estimativas da vida à fadiga foram bastante próximas das obtidas experimentalmente, com diferenças conservadoras entre 1% e 15% dependendo do método de cálculo da carga de abertura. Os resultados apresentados mostram que vidas à fadiga mais acuradas e, ainda, conservadoras são feitas incluindo o efeito do fechamento de trinca na metodologia de cálculo da vida remanescente de componentes estruturais. / This thesis investigates the effect of crack closure on fatigue life predictions in homogeneous material and welded joints. It presents a methodology for numerical simulation of the phenomenon of plasticity-induced crack closure by using the finite element method. Experimental tests of fatigue crack propagation on ASTM A516 Gr 70 steel at room temperature were performed using typical specimens of fracture mechanics in two conditions: welded and homogeneous; these results were used to validate the numerical methodology for calculating the crack opening load. Comparisons between experimental propagation life and estimations obtained by numerical integration of propagation law, including the effect of crack closure, have been made using various criteria to calculate the opening load .The numerical analyses allow to predict the opening load by analyzing the evolution of stresses, deformations and displacements fields in the region near the crack which is growing and is influenced by the contact of the crack flanks. Lower levels of protection due to crack closure were obtained for the specimen with mechanical heterogeneity when compared to the homogeneous specimen in the numerical analyses. During the test of fatigue crack propagation the homogeneous specimen had smaller crack growth rates when compared to the welded specimen. Fatigue life predictions without including the effect of crack closure result in conservative estimations around 20% for all studied cases. Three-dimensional analysis of the phenomenon of crack closure shows that the fatigue crack growth in stage II appears to be controlled by the delay that occurs on the specimen surface. Including the effect of crack closure in life predictions, the estimates of fatigue life were quite close to those obtained experimentally, with conservative differences between 1% and 15% depending on the method of opening load calculation. The results show that the fatigue life predictions can be made more accurate and yet remain conservative when the effect of crack closure is included on the methodology for calculating the remaining life of structural components.

Esta tese investiga o efeito do fechamento de trinca sobre as previsões da vida à fadiga em materiais homogêneos e juntas soldadas. É apresentada uma metodologia para a simulação numérica do fenômeno de fechamento de trinca induzido por plasticidade utilizando o método dos elementos finitos. Ensaios laboratoriais de propagação de trinca por fadiga do aço ASTM A516 Gr. 70 à temperatura ambiente foram realizados usando corpos de prova típicos da mecânica da fratura nas condições soldada e homogênea. Estes resultados foram usados para validar a metodologia numérica do cálculo da carga de abertura de trinca. Comparações entre a vida de propagação experimental e as estimativas obtidas por meio da integração da lei de propagação, incluindo o efeito do fechamento de trinca, foram feitas usando vários critérios para o cálculo da carga de abertura. As análises numéricas permitem estimar a carga de abertura de trinca analisando a evolução do campo de tensões, deformações e deslocamentos na região próxima à trinca, que está influenciada pelo contato das faces da trinca. Menores níveis de proteção da trinca devido ao fechamento foram obtidos para o corpo com heterogeneidade mecânica quando comparado ao corpo homogêneo na modelagem numérica. Durante o ensaio de propagação o corpo homogêneo apresentou taxas de propagação de trinca relativamente menores quando comparadas ao espécime soldado. A não inclusão do efeito do fechamento de trinca resulta em previsões da vida à fadiga conservadoras em aproximadamente 20% para todos os casos estudados neste trabalho. Análises tridimensionais do fenômeno de fechamento de trinca revelam que o crescimento da trinca por fadiga no estagio II parece estar controlado pelo retardo que acontece na superfície do corpo de prova. Incluído o efeito do fechamento de trinca nas previsões, as estimativas da vida à fadiga foram bastante próximas das obtidas experimentalmente, com diferenças conservadoras entre 1% e 15% dependendo do método de cálculo da carga de abertura. Os resultados apresentados mostram que vidas à fadiga mais acuradas e, ainda, conservadoras são feitas incluindo o efeito do fechamento de trinca na metodologia de cálculo da vida remanescente de componentes estruturais. / This thesis investigates the effect of crack closure on fatigue life predictions in homogeneous material and welded joints. It presents a methodology for numerical simulation of the phenomenon of plasticity-induced crack closure by using the finite element method. Experimental tests of fatigue crack propagation on ASTM A516 Gr 70 steel at room temperature were performed using typical specimens of fracture mechanics in two conditions: welded and homogeneous; these results were used to validate the numerical methodology for calculating the crack opening load. Comparisons between experimental propagation life and estimations obtained by numerical integration of propagation law, including the effect of crack closure, have been made using various criteria to calculate the opening load .The numerical analyses allow to predict the opening load by analyzing the evolution of stresses, deformations and displacements fields in the region near the crack which is growing and is influenced by the contact of the crack flanks. Lower levels of protection due to crack closure were obtained for the specimen with mechanical heterogeneity when compared to the homogeneous specimen in the numerical analyses. During the test of fatigue crack propagation the homogeneous specimen had smaller crack growth rates when compared to the welded specimen. Fatigue life predictions without including the effect of crack closure result in conservative estimations around 20% for all studied cases. Three-dimensional analysis of the phenomenon of crack closure shows that the fatigue crack growth in stage II appears to be controlled by the delay that occurs on the specimen surface. Including the effect of crack closure in life predictions, the estimates of fatigue life were quite close to those obtained experimentally, with conservative differences between 1% and 15% depending on the method of opening load calculation. The results show that the fatigue life predictions can be made more accurate and yet remain conservative when the effect of crack closure is included on the methodology for calculating the remaining life of structural components.

Diversas propostas para o desenvolvimento de novos produtos vêm sendo elaboradas com o objetivo de acelerar a homologação final e permitir o lançamento com a confiabilidade necessária para minimizar danos à sociedade e à empresa. Este trabalho explora de forma objetiva o contexto de projeto para um componente estrutural de suspensão, de elevado nível de segurança, propondo uma metodologia para sistematização de planejamento enxuto das fases, considerando as atividades técnicas que geram valor ao processo, aplicando as ferramentas disponíveis de engenharia desde a definição de uma arquitetura ótima, e a partir desta, realizar o detalhamento nas fases de projeto, protótipo e testes finais. O objetivo principal foi liberar a confecção de um ferramental definitivo de forma antecipada ao desenvolvimento tradicional, e, portanto foram avaliados os resultados fundamentais que podem ser entregues, por meio de modelagem, simulação e ensaios experimentais, de cunho tecnológico, manufatura e econômico, para servirem de informações em uma tomada de decisão que envolve grande quantia monetária. Adicionalmente, uma proposta de homologação da integridade estrutural para um novo produto foi explorada por meio da seleção de materiais, influência do processo de fabricação nas propriedades mecânicas, caracterização do novo material e ensaios de fadiga em amostras do componente submetidos aos carregamentos medidos em condições de serviço. Os resultados foram validados com dados de falhas em componente similar validado, e assim, a confiabilidade para o novo produto pôde ser verificada e aprovada dispensando testes adicionais em trechos de durabilidade. / Product development proposals have been proposed aiming to accelerate the final homologations and sign off the launch with the required reliability for minimizing the risks of damages for society and industry. This work explores a project context for a suspension structural component with high safety requirements in an objective manner, proposing a systematic lean planning approach, considering the value added thecnical deliverables, using available engineering tools from best architecture definition throughout the detailing design, prototype and testing phases. With the goal for releasing the final manufacturing tool production earlier as the traditional development method, all modeling, simulation and testing results for technological, manufacturing and economics purposes were evaluated to be used as information for a decision that must consider a high amount of monetary value. Also, a homologation proposal was explored for accessing the structural integrity for a new component considering materials selection, influence of manufacturing in the mechanical properties, characterization and fatigue testing on samples subjected to measured service loads, The results were validated with data from similar component evaluation and the reliability for the new product could be accessed and approved by dismissing additional on-road durability tests.

Es desenvolupa una eina de disseny per l'anàlisi de la tolerància al dany en composites. L'eina pot predir el inici i la propagació de fisures interlaminars. També pot ser utilitzada per avaluar i planificar la necessitat de reparar o reemplaçar components durant la seva vida útil. El model desenvolupat pot ser utilitzat tan per simular càrregues estàtiques com de fatiga.El model proposat és un model de dany termodinàmicament consistent que permet simular la delaminació en composites sota càrregues variables. El model es formula dins el context de la Mecànica del Dany, fent ús dels models de zona cohesiva. Es presenta un metodologia per determinar els paràmetres del model constitutiu que permet utilitzar malles d'elements finits més bastes de les que es poden usar típicament. Finalment, el model és també capaç de simular la delaminació produïda per càrregues de fatiga. / A design tool for the analysis of delamination in laminated composites was developed. The design tool is developed using the damage-tolerance concept to predict both delamination initiation and growth. Therefore, the model developed can be used to perform either strength or damage-tolerance verification of new components, and can be used to assess the necessity to repair or replace in-service components. The model developed can be used either to simulate quasi-static or fatigue loading.A thermodinamically consistent damage model is proposed for the simulation of delamination in composite materials under variable-mode loading. The model is formulated in the context of Damage Mechanics by means of the Cohesive Zone Model concept. Moreover, a methodology to determine the parameters of the constitutive model is proposed. The methodology presented allows the use of coarser meshes that is usually admissible. Finally, the model has been enhanced to simulate high cycle fatigue.

Diversas propostas para o desenvolvimento de novos produtos vêm sendo elaboradas com o objetivo de acelerar a homologação final e permitir o lançamento com a confiabilidade necessária para minimizar danos à sociedade e à empresa. Este trabalho explora de forma objetiva o contexto de projeto para um componente estrutural de suspensão, de elevado nível de segurança, propondo uma metodologia para sistematização de planejamento enxuto das fases, considerando as atividades técnicas que geram valor ao processo, aplicando as ferramentas disponíveis de engenharia desde a definição de uma arquitetura ótima, e a partir desta, realizar o detalhamento nas fases de projeto, protótipo e testes finais. O objetivo principal foi liberar a confecção de um ferramental definitivo de forma antecipada ao desenvolvimento tradicional, e, portanto foram avaliados os resultados fundamentais que podem ser entregues, por meio de modelagem, simulação e ensaios experimentais, de cunho tecnológico, manufatura e econômico, para servirem de informações em uma tomada de decisão que envolve grande quantia monetária. Adicionalmente, uma proposta de homologação da integridade estrutural para um novo produto foi explorada por meio da seleção de materiais, influência do processo de fabricação nas propriedades mecânicas, caracterização do novo material e ensaios de fadiga em amostras do componente submetidos aos carregamentos medidos em condições de serviço. Os resultados foram validados com dados de falhas em componente similar validado, e assim, a confiabilidade para o novo produto pôde ser verificada e aprovada dispensando testes adicionais em trechos de durabilidade. / Product development proposals have been proposed aiming to accelerate the final homologations and sign off the launch with the required reliability for minimizing the risks of damages for society and industry. This work explores a project context for a suspension structural component with high safety requirements in an objective manner, proposing a systematic lean planning approach, considering the value added thecnical deliverables, using available engineering tools from best architecture definition throughout the detailing design, prototype and testing phases. With the goal for releasing the final manufacturing tool production earlier as the traditional development method, all modeling, simulation and testing results for technological, manufacturing and economics purposes were evaluated to be used as information for a decision that must consider a high amount of monetary value. Also, a homologation proposal was explored for accessing the structural integrity for a new component considering materials selection, influence of manufacturing in the mechanical properties, characterization and fatigue testing on samples subjected to measured service loads, The results were validated with data from similar component evaluation and the reliability for the new product could be accessed and approved by dismissing additional on-road durability tests.