Este trabalho tem como objetivo estudar os modelos clássicos de concentração de tensões no regime linear elástico, através do auxílio de técnicas numéricas de modelagem, neste caso a aproximação via Método dos Elementos Finitos, adicionalmente aos estudos clássicos da "Teoria da Elasticidade", corroborando e ajustando os dados hoje existentes que se propõem a modelar as configurações mais usuais. Também possui como objetivo estudar e esclarecer as incongruências encontradas em algumas das diversas fontes tradicionais, estabelecendo uma direção que auxilie na utilização destas fontes em cálculo estrutural. Desta forma, foi realizada uma ampla investigação da literatura de referência disponível sobre o assunto, além de um estudo dedicado à metodologia numérica adotada neste trabalho, com o objetivo de se garantir a acurácia e a confiabilidade dos dados gerados para os resultados apresentados.

O objetivo do trabalho é a obtenção dos fatores de amplificação de tensões gerados por carregamentos mecânicos e térmicos em um material compósito, utilizando-se da teoria micro-mecânica e modelagem por elementos finitos. A teoria micro-mecânica se distingue de estudos macro-mecânicos por levar em conta as diferenças de propriedades dos constituintes do material compósito. Considerando as individualidades dos constituintes é possível caracterizar os níveis de tensões em cada um dos materiais e em sua interface. Partiu-se da modelagem tridimensional por elementos finitos de um volume representativo convencional e foram realizadas simplificações, mostrando que modelos mais simples podem ser utilizados sem prejuízo da análise. Diversos resultados numéricos são obtidos e comparados com a literatura. .

A simulação no tratamento térmico tem-se tornado de vital importância, principalmente na fase de projeto de produto e planejamento e controle produção, reduzindo significativamente o tempo e o custo antes dedicados a estas tarefas. Esta tecnologia quando combinada à medição das curvas de resfriamento, torna-se uma poderosa e confiável ferramenta para a predição das propriedades mecânicas e metalúrgicas em peças tratadas termicamente. A modelagem do processo de têmpera traz como resultados, a exeqüibilidade do processo, a constituição microestrutural final e a distribuição das distorções e tensões residuais da peça. O presente trabalho visa simular a transferência de calor, através do cálculo dos coeficientes de transferência de calor, e das tensões residuais térmicas e distorções em corpos de prova de aço AISI 5160 e de uma sonda de Inconel 600, com a análise posterior dos parâmetros obtidos. / The simulation of heat treating is becoming of vital importance, specially during design of product and production planning and control, reducing significantly costs and time that used to be wasted on these tasks. This technology when combined to measured cooling curves, become a powerful and trustful tool for predicting mechanical and metallurgical properties of heat treated components. Modeling the quenching process shows the feasibility of the process, the final microstructure and the distribution of residual stresses and distortions on workpiece. The present work aims at simulate the heat transfer, the thermal residual stresses and distortions in a workpiece of AISI 5160 steel and of a probe of Inconel 600, with posterior analysis of the obtained parameters.

A presente dissertação aborda o estudo dos efeitos de escavações realizadas acima de túneis já executados. Os trabalhos mais relevantes envolvendo a interação entre escavações e túneis já existentes são apresentados e discutidos. São realizadas simulações numéricas de casos hipotéticos, em estado plano de deformações utilizando o modelo de Mohr-Coulomb, permitindo a identificação dos parâmetros mais relevantes para esse tipo de problema e suas influências nos resultados. É discutido o comportamento mais rígido do maciço durante as trajetórias de descarregamento, bem como qual o módulo de elasticidade mais adequado para representar o fenômeno. Modelagens numéricas de um caso real em São Paulo (a escavação dos subsolos do edifício Stan Paulista, acima de túneis do Metrô) são realizadas, utilizando o modelo e os conceitos estudados. Os resultados obtidos das simulações são discutidos e comparados com os valores de instrumentação. Constata-se que a metodologia utilizada para a análise dos efeitos de escavações acima de túneis já existentes pode ser utilizada na avaliação de outros casos. / The presented research approaches the study of excavations effects above existing tunnels. Some of the most relevant papers related to interaction between excavation and tunnels are presented and discussed. Numerical simulations of hypothetic cases assuming plane strain condition and Mohr-Coulomb model for soil behavior are performed, allowing the study of influence of input parameters in the results. It is discussed behavior of the soil in stress paths that indicates reduction of the mean stress, wich is more rigid than the triaxial compression path. It is also discussed wich is an appropriate elastic modulus to be used in this situation. A real case (basement excavation of Stan Paulista building, above Metrô tunnels) is analyzed with numerical models, utilizing the concepts studied. The results of the simulations are compared with field instrumentation data. It is concluded that the methodology used for the analysis of the effect of excavation above existing tunnels can be utilized in other cases.

O mecanismo de rock burst envolve ruptura violenta e instantânea do maciço rochoso ao redor de uma escavação subterrânea, com liberação de grandes quantidades de energia. Neste trabalho, será apresentado uma abordagem baseada na teoria da elasticidade, a partir da qual a importância dos parâmetros elásticos serão avaliados no processo de acúmulo de energia elástica (W). Foram utilizados métodos analíticos e numéricos e equações que definem W a partir da matriz de tensões \'sigma\', da matriz de deformação \'épsilon\', e dos parâmetros elásticos E (módulo de Young, ou módulo de elasticidade) e \'nü\' (coeficiente de Poisson). A influência dos parâmetros E e \'nü\' na quantificação de W foi testada usando uma gama de valores, baseada em valores médios para as rochas cristalinas apresentados na literatura. Variações nos valores de E induzem mudanças consideráveis nos valores de W. Quanto menor E , maior W. Baixos valores de E definem maciços rochosos que sofrem maiores deformações sob um determinado regime de tensões, assim resultado em maior trabalho exercido pelo maciço e, consequentemente, mais energia elástica (W). Isto é, para um determinado estado de tensões, maciços mais deformáveis (com baixos valores de E ) têm a capacidade de acumular mais energia elástica que maciços pouco deformáveis. No entanto, considerando também a mecânica de ruptura, maciços menos resistentes rompem sob condições menos extremas de tensões, enquanto maciços mais resistentes necessitam de tensões muito elevadas para sofrerem ruptura. Portanto, maciços mais resistentes acumulam mais energia elástica que maciços menos resistentes. Embora o coeficiente \'nü\' seja apontado por alguns autores como maior responsável pelo acúmulo de W, este fato não foi observado neste trabalho, e o valor de W não é consideravelmente afetado por variações de \'nü\" , um resultado direto das equações utilizadas. No entanto, uma tendência \"anômala\" foi observada: fixado o valor de E, valores de \'nü\' medianos (próximo a 0,25) induzem maiores valores de W no limite da escavação, e conforme se afasta do limite para o sentido do interior do maciço, valores cada vez menores de passam a induzir os maiores valores de W. A teoria da elasticidade, por si só, não é capaz de explicar os fenômenos complexos que causam os processos de rock burst. Para uma compreensão completa do problema, é necessário também o estudo de mecânica de fraturas, mecânica de danos no maciço, dissipação de energia ao longo de fraturas, etc. / The mechanism or rock burst involves sudden and violent fracturing of the rock mass around the opening, with high amounts of energy released. This work demonstrates an approach based on the theory of elasticty and the role of elastic parameters in the process of storing elastic strain energy (W). Analytical and numerical methods were used. The main equations define W based on the stress matrix \'sigma\', the strain matrix \'épsilon\' and the elastic parameters E (Young\'s modulus) and \'nü\' (Poisson\'s ratio). The influence of E and \'nü\' was tested using minimum, average and maximum values, based on the values for crystalline hard rocks from the literature. Variations in values of E induce significant changes to the values of W. The lower E the higher W. Low values of E define rock masses which suffer greater displacements under a given stress condition, leading to higher values of W. This leads to the conclusion that, for a given stress state, soft rocks (lower values of E ) have the ability to store more elastic strain energy than stiff rocks. However, if fracture mechanics is also considered, strong rock masses have the ability to endure more stress than weaker rocks before failing, leading to higher amounts of elastic energy stored. Although Poisson\'s ratio (\'nü\') is considered by some authors as a fundamental piece in energy storage, such conclusion was not observed in this work, and values of W are not considerably affected by variations of \'nü\', a direct result of the application of the equations of theory of elasticity. However, an interesting trend was observed: for a given value of E , moderate values of \'ü\' (around 0,25) induce higher values of W at the edge of the excavation. In the rock mass interior, lower values of induce higher values of W. An analysis purely based on the theory of elasticity is not enough to explain the complex phenomena which occur around an excavation that induce violent failure and rock bursting. For a deeper understanding of the problem, it is also necessary the study of complementary theories, such as fracture mechanics, damage mechanics, energy dissipation during fracturing, and so on.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia, 2018. / Este trabalho avaliou as condições de propagação de trincas que emanam de entalhes. Nesse sentido, foram considerados para análise os formatos de entalhe em V, entalhe em U e uma placa com furo central, com raios de concordância variando entre 0,12 a 4 mm. Uma rotina de simulação numérica de elementos finitos capaz de calcular o fator de intensidade de tensão foi desenvolvida. Para análise da propagação ou parada do crescimento da trinca, as condições para cálculo de foram extraídas de importantes artigos utilizados como referências: Du Quesnay (1986), Susmel e Taylor (2007) e Tanaka (1983). Para determinar o tamanho característico da trinca, foi utilizado o método da teoria da distância crítica (especificamente, o método do ponto). Após obter numericamente o valor de , comparou-se com o limiar de propagação do material ℎ, e se observou a propagação da trinca em 33% dos entalhes com raios maiores, dos quais 17% ficaram na iminência de propagação. No entanto, para os raios menores, as trincas não se propagaram. O método do ponto mostrou-se conservador e as condições impostas para cálculo de foram 60% menores em comparação ao valor de ℎ. / This work evaluated the propagation conditions of a crack emanating from notches. In this perspective, were considered for analysis the V and U notch formats and a central hole plate with concordance radius from 0.12 to 4 mm. A numerical simulation routine of finite elements capable to calculate the stress intensity factor KI was developed. The circumstances of propagation or stop of the crack growth were analyzed and the conditions for calculating KI were extracted from important references articles: Du Quesnay (1986), Susmel and Taylor (2007) and Tanaka (1983). The theory of critical distances (specifically the point method) was used in order to determine the characteristic size of the crack. After the numerically obtaining of the KI value we compared the material propagation threshold Kth, the crack propagation was observed in 33% of the larger radius notches, of which 17% will be in the imminence of propagation. Conversely, for the smaller radius, the cracks did not spread. The point method was shown to be conservative and the conditions imposed for KI calculation were 60% lower compared to the value of Kth.

Neste trabalho desenvolve-se uma formulação teórica consistente para a análise não-linear, física e geométrica, de pórticos planos de aço, através do Método dos Elementos Finitos (MEF), considerando barras com imperfeições iniciais e tensões residuais nas suas seções transversais, visando analisar os critérios de resistência adotados para projeto das colunas de aço, baseados no conceito de resistência-última, e estudar o comportamento não-linear dos pórticos de aço considerando estes dois fatores. São feitas considerações qualitativas sobre a influência das imperfeições iniciais e das tensões residuais no cálculo da resistência das colunas. e é dada uma visão geral sobre a evolução dos critérios usados na prática para dimensionamento das colunas de aço. Apresenta-se o desenvolvimento da teoria geral, que leva em conta a presença das tensões residuais auto-equilibradas nas equações de equilíbrio do elemento. Este desenvolvimento é feito dentro de uma formulação Lagrangiana utilizando a técnica corrotacional para a dedução consistente da matriz de rigidez tangente do elemento de pórtico plano com imperfeição inicial. Para implementação desta formulação é desenvolvido um programa em linguagem FORTRAN para micro-computador capaz de fazer a análise não-linear elasto-plástica de pórticos planos, baseado num processo incremental-iterativo. Utiliza-se o modelo de fatias para avaliar os coeficientes de rigidez do elemento, modelo este que se mostrou bastante adequado, permitindo o acompanhamento da plastificação ao longo da altura da seção e a consideração de qualquer modelo de distribuição das tensões residuais. Finalmente, os exemplos apresentados mostram a grande potencialidade da formulação desenvolvida. São analisados vários casos cujos resultados são comparados com os obtidos por outros autores, demonstrando a precisão e correção da teoria proposta. A aplicação na análise de pórticos de andares múltiplos confirma a validade da formulação e demonstra a sua aplicabilidade nos casos práticos. / A consistent finite element formulation to consider material and geometric nonlinearities of steel plane frames is presented. Residual stresses and initial imperfections are considered to evaluate steel columns failure criteria based on the ultimate strength and also to investigate the nonlinear behavior of steel plane frames. Some qualitative considerations are made on the initial imperfections and residual stresses influence on the practical steel columns design. A general theory considering self equilibrated residual stresses is developed based on the Lagrangian formulation. Corotacional technique is used to obtain the tangent stiffness matrix of plane frame taking the initial imperfection into account. A stand alone code has been written in FORTRAN and implemented on a microcomputer platform to perform incremental-iterative analysis of nonlinear elastoplastic plane frame problems. The frame element is made up of layers such that the plastic region can be readily identified and any kind of residual stresses through the cross section area can be taken into account in the analysis. Some examples are presented and their results compared to others in the literature. The multistory building analyses using the plane frame element presented in this research has shown to be very effective and useful to practical applications.

Este trabalho apresenta os principais fenômenos que regem a propagação de trincas em anéis de rolamentos, por meio da aplicação de conceitos da Mecânica da Fratura Elástica Linear e Fadiga. O estado complexo de tensões atuante sobre o anel do rolamento culmina em carregamento modo misto sobre as paredes da trinca. Para o problema de rolamento proposto, são considerados os modos de abertura e de cisalhamento puro no plano do defeito, sob regime cíclico. O fator de intensidade de tensões K e a integral J são parâmetros que estabelecem condições de fratura e são suficientes, para caracterizar a criticidade de trincas instaladas em anéis de rolamentos. A avaliação da criticidade de defeitos é baseada na aplicação de Critérios de Falha distintos, oriundos de literaturas especializadas. A partir dos parâmetros de fratura, K e J , e da avaliação da criticidade de defeitos é possível determinar a vida remanescente à fadiga, por meio de modelos que descrevem a taxa de propagação de trincas. Os resultados indicam que o modo misto de carregamento de trinca considerado na dissertação, é um dos parâmetros mais importantes a considera-se na nucleação e propagação de defeitos em rolamentos, e são responsáveis por uma redução significativa da vida à fadiga originalmente estipulada. / This work presents the main phenomenon that governs the crack propagation in bearing rings, through the application of Linear Elastic Fracture Mechanics and Fatigue concepts. The complex stress state acting on the bearing ring produces a mixed mode loading over the crack faces. The proposed bearing problem considers a tensile mode and pure shear mode in the plane of the defect, both under a cyclic regime. The stress intensity factor K and the J -integral parameters define the fracture conditions and suffice to characterize the severity of cracks developed in bearing rings. The procedure for defect assessment is based on the application of different failure criteria. Using parameters, K and J, coupled to the defect assessment procedures, it is possible to estimate the remaining fatigue life, through models that describe the crack propagation rate. The results indicate that the mixed mode loading considered in this work is one of the most important parameters in nucleation and propagation of bearing defects and are responsible for a significant reduction in the original estimation of fatigue life.

Orientador: Luis Rogerio de Oliveira Hein / Coorientador: Peterson Luiz Ferrandini / Banca: Marcelo dos Santos Pereira / Banca: Heloisa Andréa Acciari / Banca: Mirian de Lourdes Noronha Mota Melo / Banca: Rosinei Batista Ribeiro / Resumo: Ferramentas de processamento e análise digital de imagens foram desenvolvidas com a finalidade de avaliar a evolução da textura morfológica e cristalográfica da microestrutura da liga de alumínio 7075 sob diferentes níveis de deformação plástica por compressão uniaxial. Amostras da liga de alumínio 7075-T6 passaram por um processo de recozimento pleno seguido de um estágio de compressão uniaxial, obtendo níveis de deformações entre 25 e 65%. As microestruturas das amostras foram avaliadas em função dos parâmetros morfológicos dos precipitados, da reorientação dos planos cristalográficos dos grãos e da orientação das subestruturas formadas durante o processo de deformação. Para a caracterização foram utilizadas técnicas de difração de raios-X, microscopia eletrônica, microscopia óptica utilizando técnicas de polarização linear e circular, microscopia correlativa e processamento digital de imagens. Os resultados de difração de raios-X indicaram uma reorientação do plano cristalográficos (200) para o (220) após a deformação, e as técnicas de microscopia eletrônica identificaram precipitados de Mg2Si, Al7Cu2Fe e Al6(FeCu) na liga. A análise morfológica dos precipitados indicou uma maior fragmentação dos precipitados devido à maior ativação do plano (331) a partir de 39% de deformação. Por meio do processamento de imagens foi encontrada uma tendência de correlação entre os planos cristalográficos e a fração de área das fases, enquanto que os parâmetros morfológicos das subestrutur... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Digital image processing and analysis tools were developed to perform the AA 7075 crystallographic and morphologic texture evaluation under different level of plastic deformation by uniaxial compression. Samples of AA 7075-T6 were submitted to full annealing process followed by uniaxial compression, thus obtaining deformations between 25 and 65% of thickness. The samples microstructure evaluation was performed considering: precipitates morphological parameters, crystallographic lattices reorientation and deformation substructure orientation. The characterization technics were: X-ray diffraction, electron microscopy, optical microscopy with polarization light, correlative microscopy and digital images processing. Xray diffraction results showed that the crystallographic plane (200) was reoriented to (220) after compression. The EDS analysis identified precipitates of Mg2Si, Al7Cu2Fe e Al6(FeCu). The precipitates morphological analysis showed an increase in fragmentation due to plane (331) at 39% of deformation. The digital image process of the samples etched with Barker reagents indicated a correlation between area fraction and the diffraction peaks, and the deformation substructures analysis made viable a qualitative characterization of the hardening process / Doutor

Orientador: Marcelo Augusto Santos Torres / Banca: Antonio Jorge Abdalla / Banca: Carlos Antonio Reis Pereira Baptista / Resumo: Este trabalho tem por finalidade avaliar o efeito do processo de shot peening na taxa de propagação de uma trinca por fadiga já existente. O shot peening é um processo de trabalho a frio, que consiste no jateamento repetitivo com microesferas de aço, cerâmica ou vidro, na superfície de uma peça, produzindo encruamento e induzindo tensões residuais compressivas nas superfícies tratadas. Devido a isso, o shot peening tem-se mostrado um método bastante eficiente para dificultar o início e a propagação de uma trinca por fadiga a partir da superfície do material, melhorando a sua resistência à fadiga. Contudo, estudos de seu efeito sobre uma trinca já existente são pouco conhecidos. Corpos de prova do tipo CT, para a liga aeronáutica de alumínio 2024 - T3, foram inicialmente trincados por fadiga e, em seguida, submetidos ao processo de shot peening em ambos os lados. Após o tratamento, os ensaios foram reiniciados nas mesmas condições. Os ensaios foram realizados com amplitude constante em duas espessuras de corpos de prova e duas razões de carga, R, para analisar possíveis efeitos do estado de tensão na ponta da trinca nos resultados. Duas intensidades de shot peening foram utilizadas para cada valor de R ou espessura analisada. Também foram estudadas duas regiões de aplicação do processo de shot peening (atrás e em volta da ponta da trinca) em dois tamanhos de trincas. Curvas comparativas do comportamento da taxa de propagação de trincas por fadiga, mostrando a influência de cada um dos parâmetros descritos, são apresentadas, e suas diferenças, discutidas. Os resultados encontrados mostram que o processo de shot peening, quando realizado em um tamanho de trinca em pleno estágio II de propagação, apresenta maior influência quando aplicado atrás da ponta da trinca, com menor intensidade, em corpos de prova em estado ... (Resumo Completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work focuses to evaluate the effect of the shot peening process in the propagation rate of a fatigue crack already existing. The shot peening is a cold working process, which consists of repetitive blasting with steel shot, ceramic or glass, the surface of a workpiece, producing hardening and inducing compressive residual stresses on the treated surfaces. Because of this, shot peening has proved a very efficient method for hindering the initiation and propagation of a fatigue crack from the surface of the material, improving its fatigue strength. However, studies of its effect on an already existing crack are little known. Specimens of type CT to the aeronautics aluminum alloy 2024 - T3, were initially cracked by fatigue and then subjected to shot peening process on both sides. After treatment, the tests were resumed under the same conditions. Tests were carried out with constant amplitude in two thicknesses of specimens and two load ratios, R, to analyze possible effects of stress state on the crack tip results. Two shot peening intensities were used for each R value or thicknesses analyzed, and were also studied two application regions of shot peening process (behind and around the crack tip) in two sizes of cracks. Comparative curves of the fatigue crack propagation rate, showing the influence of each of the parameters described are shown, and their differences discussed. The results show that the shot peening process, when performed in a crack size in full stage II propagation, has greater influence when applied behind the crack tip, with lower intensity, in the specimens in plane stress state and lower load ratio. For crack lower (close to the stage I of propagation), the shot peening process applied behind the crack tip induced delay in their propagation rate in all conditions studied. The delay effect on fatigue crack propagation rate ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre