Estimativa de vida em fadiga de estruturas submetidas a excitações randômicas e análise comparativa com resultados de ensaios de durabilidade - Lugli, Vinicius [UNESP] (2022)
Considerando as dificuldades da etapa de dimensionamento por fadiga de estruturas submetidas à carregamentos dinâmicos randômicos, a escolha da metodologia para estimativa de vida em fadiga destas estruturas é muito relevante para a complexidade, custo e eficiência deste processo. Portanto, a proposta principal desta dissertação é avaliar dois métodos de estimativa de fadiga distintos com auxílio de análises pelo método de elementos finitos (MEF). A primeira metodologia utiliza uma análise dinâmica transiente (TDA) pelo MEF e o algoritmo de contagem de ciclos de amplitude de tensão, pelo método de Rainflow, para estimativa do ciclo de fadiga. O segundo processo utiliza o método espectral proposto por Dirlik, onde a estimativa do ciclo de fadiga é dada por uma função densidade de probabilidade (PDF) de amplitude de tensões. Esta PDF é calculada combinando a função de resposta em frequência (FRF) da estrutura, resultado de uma análise harmônica de resposta em frequência pelo MEF, com a densidade espectral de potência (PSD) do sinal randômico de fadiga. Para complementar o trabalho, um ensaio de durabilidade foi idealizado para ensaiar vinte e quatro corpos de prova divididos em três ciclos. O resultado destes ensaios possibilita a obtenção de informações estatísticas sobre a resistência à fadiga do material, e auxiliam no processo de calibração dos parâmetros de entrada da análise pelo MEF. Com os cálculos computacionais e os ensaios de durabilidade em laboratório, chega-se à conclusão de que a estimativa de fadiga pelo método proposto por Dirlik foi 12,6% mais severa que o método de Rainflow, e 7,8% menos severa do que o resultado médio de falha da estrutura durante ensaio de durabilidade. Os resultados obtidos pelos métodos propostos saíram conforme esperado, ambos com relativa precisão, e com isso o método de Dirlik se confirmou viável para estimar o ciclo de fadiga de estruturas submetidas a processos randômicos. Além de sua eficiência na estimativa do ciclo de fadiga, o método espectral demanda um menor custo computacional para solução da análise FEA de sistemas de alta complexidade. Visando confirmar os resultados obtidos, a estrutura do paralama de uma máquina agrícola automotriz foi modelada pelo MEF e teve sua fadiga estimada pelo método de Dirlik. Esta estrutura foi submetida a um ensaio de durabilidade em pista de provas e com as medições realizadas durante este ensaio foram determinados os parâmetros de entrada da análise pelo MEF e da estimativa de fadiga pelo método espectral. Apesar da alta complexidade da estrutura analisada, o desvio relativo entre a estimativa de vida de fadiga (Dirlik) e o tempo médio de falha dos quatro paralamas ensaiados em pista de provas, foi de +10,4%. Este desvio obtido está dentro da expectativa, principalmente considerando a determinação teórica da tensão de resistência à fadiga do material.