Uso de elementos finitos estendidos para a modelagem computacional da fratura de material refratário submetido ao método da cunha

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Mendonça, Guilherme da Cunha
Orientador(a): Canto, Rodrigo Bresciani lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/21461
Resumo: Fracture mechanics must be considered in the structural design of ceramic components, especially for refractory materials that are commonly susceptible to cracking due to high temperature variations in their applications. The fracture of refractories can be analyzed through mechanical tests, among them the wedge splitting test (WST), which allows for stable crack growth even in brittle materials. This test was initially proposed to measure the fracture energy of the test specimen, but the crack propagation path can also be analyzed based on field measurements. With a computational simulation, we can estimate crack propagation, provided that the intrinsic parameters of the model are identified and validated with the help of experiments. The X-FEM (eXtended Finite Element Method), available in the software AbaqusTM, was applied to a WST on a commercial silica-aluminous refractory material. The experimental curve of horizontal force as a function of opening displacement at the application of load height was used as a reference for calibrating the parameters of a crack propagation model for the computational simulation of the test. Preliminary validation procedures were carried out for both 2D and 3D models, and to ensure the reliability of the models, mesh convergence analysis and sensitivity analyses of the parameters were performed. After analyzing both models, it was determined that the 2D model was more appropriate for the case study. An optimization process was performed using the software IsightTM to find a response curve that best approximated the experimental results. With the properties optimized by IsightTM, the 2D X-FEM model could represent the fracture behavior of the material with a good approximation compared to the WST simulations that used cohesive elements from the literature.
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The fracture of refractories can be analyzed through mechanical tests, among them the wedge splitting test (WST), which allows for stable crack growth even in brittle materials. This test was initially proposed to measure the fracture energy of the test specimen, but the crack propagation path can also be analyzed based on field measurements. With a computational simulation, we can estimate crack propagation, provided that the intrinsic parameters of the model are identified and validated with the help of experiments. The X-FEM (eXtended Finite Element Method), available in the software AbaqusTM, was applied to a WST on a commercial silica-aluminous refractory material. The experimental curve of horizontal force as a function of opening displacement at the application of load height was used as a reference for calibrating the parameters of a crack propagation model for the computational simulation of the test. Preliminary validation procedures were carried out for both 2D and 3D models, and to ensure the reliability of the models, mesh convergence analysis and sensitivity analyses of the parameters were performed. After analyzing both models, it was determined that the 2D model was more appropriate for the case study. An optimization process was performed using the software IsightTM to find a response curve that best approximated the experimental results. With the properties optimized by IsightTM, the 2D X-FEM model could represent the fracture behavior of the material with a good approximation compared to the WST simulations that used cohesive elements from the literature.A mecânica da fratura deve ser considerada no projeto estrutural de componentes cerâmicos, sobretudo para os materiais refratários que são comumente susceptíveis a formação de trincas devido às altas variações de temperatura em suas aplicações. A fratura de refratários pode ser analisada a partir de ensaios mecânicos, dentre estes, o ensaio do método da cunha (MC), o qual permite obter crescimento estável de trinca, mesmo em materiais frágeis. Este ensaio foi inicialmente proposto para a medição da energia de fratura do corpo de prova, mas o caminho de propagação da trinca pode também ser analisado. Neste sentido, a simulação computacional pode estimar a propagação da trinca, desde que os parâmetros intrínsecos ao modelo sejam identificados e validados com auxílio de experimentos. O X-FEM (eXtended Finite Element Method), disponível no software AbaqusTM, foi aplicado a um ensaio utilizando o MC em um material refratário sílico-aluminoso comercial. A curva experimental da força horizontal em função do deslocamento de abertura na altura da aplicação de carga foi utilizada como referência para a calibração dos parâmetros de um modelo de propagação de trinca para a simulação computacional do ensaio. Foram realizados procedimentos preliminares de verificação dos modelos 2D e 3D e para garantir a confiabilidade dos modelos, foi realizada uma análise de convergência de malhas e análises de sensibilidade dos parâmetros do modelo. Após a análise dos dois modelos foi definido que o modelo 2D é mais apropriado para o estudo de caso, foi utilizado um processo de otimização utilizando o software IsightTM para buscar uma curva de resposta que mais se aproximasse dos resultados experimentais. Com as propriedades otimizadas pelo IsightTM o modelo 2D com X-FEM foi capaz de representar com boa aproximação o comportamento de fratura do material comparado com as simulações do MC que utilizaram elementos coesivos da literatura.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Processo n°130232/2021-1porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessWedge splitting testDigital image correlationENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICAMétodo da cunhaX-femCorrelação de imagens digitaisUso de elementos finitos estendidos para a modelagem computacional da fratura de material refratário submetido ao método da cunhaValidation of the use of extended finite elements for computational modeling of fracture in refractory material submitted to the wedge splitting testinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d938b855-001d-4a74-94ea-936a4395dbda/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD51falseAnonymousREADORIGINALGuilherme da Cunha Mendonça - Dissertação.pdfGuilherme da Cunha Mendonça - Dissertação.pdfapplication/pdf4976910https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d5a2d0ca-cf0f-40d3-b15f-e75768d96288/download50a07df681ab696297e70d07059611f3MD52trueAnonymousREADTEXTGuilherme da Cunha Mendonça - Dissertação.pdf.txtGuilherme da Cunha Mendonça - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain80040https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c89f73ac-0210-4c30-a79c-6dea94e7c399/downloadd977295b16539cb6b48cd6e576b0cfc8MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILGuilherme da Cunha Mendonça - Dissertação.pdf.jpgGuilherme da Cunha Mendonça - Dissertação.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4257https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/693e0499-f8b7-4565-893d-7bd209e9e87c/download1c2167d124b9b02fd91955ecbcc9b2e2MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/214612025-02-27 00:10:38.132http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21461https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-27T03:10:38Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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