Elaboração de um modelo de dano a partir do critério de falha de Xue-Wierzbicki e incorporação ao modelo constitutivo de Johnson-Cook
| Autor: | Merigo, Rodrigo Frois |
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| Přispěvatelé: | Universidade Federal de Santa Catarina, Fancello, Eduardo Alberto |
| Jazyk: | portugalština |
| Rok vydání: | 2021 |
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| Zdroj: | Repositório Institucional da UFSC Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) instacron:UFSC |
| Popis: | Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021. Problemas de engenharia envolvendo dano e ruptura de componentes estruturais são de natureza complexa, de modo que grandezas como triaxialidade de tensão e parâmetro de Lode são incluídas em critérios de falha na tentativa de representar diferentes mecanismos de dano e obter maior precisão na simulação do comportamento dos materiais. Ter ferramentas eficazes de simulação pode ser um diferencial na indústria, sobretudo em áreas onde ensaios e protótipos representam custos elevados. Neste contexto, desenvolveu-se um modelo de dano através de uma estrutura termodinamicamente consistente, baseada na mecânica do dano em meios contínuos e no modelo de Lemaitre. O modelo se utiliza do critério de falha de Xue-Wierzbicki para a definição da deformação crítica do material, como forma de incluir as dependências da triaxialidade de tensão e do parâmetro de Lode na ductilidade. Assim, a deformação de falha pode variar com o caso de carga em que o componente em estudo se encontra. Selecionou-se o modelo constitutivo de Johnson-Cook para representar a liga de níquel Inconel 718 E, devido ao seu bom desempenho com ligas metálicas aliado a um custo computacional relativamente baixo. Incorporou-se a variável de dano à equação constitutiva de modo a acoplá-la à tensão, possibilitando capturar o efeito da perda gradativa de rigidez. Implementou-se o modelo em uma rotina computacional baseada no método dos elementos finitos e simulou-se um ensaio de tração de um corpo de prova axissimétrico com entalhe. Ao ser medida a correlação dos resultados com experimentos pertinentes da literatura, obteve-se o ponto de início da ruptura corretamente previsto no centro do corpo, com erro de 4,5% no valor de triaxialidade esperado e de 7,9% no valor de deformação de falha. O comportamento da ductilidade com relação às variáveis pertinentes foi corretamente capturado, de modo que a superfície de falha construída reproduziu as tendências experimentais. Identificou-se uma importante sensibilidade da deformação de falha à triaxialidade e ao parâmetro de Lode, evidenciando o ganho na capacidade de predição do modelo quando insere-se a dependência do caso de carga na resistência do material. Abstract: Engineering problems involving damage and rupture can be very challenging, so that quantitites as triaxiality and Lode parameter are often included in failure criteria in an attempt to better represent the damage mechanisms and the material behavior. The availability of efficient simulation tools can become a differentiator in industry, specially in fileds where costs with prototypes and experimental tests are high. In this context, a damage model with a consistent thermodynamic framework was developed, based on Lemaitre?s model using the continuum damage mechanics approach. The model uses the Xue-Wierzbicki failure criterion for the definition of the critical strain, this way including the dependencies of triaxiality and Lode parameter on the material ductility. As a result, the failure strain varies according to the load case to which the component is subjected. The material selected to the study is the nickel alloy Inconel 718 E, represented by the Johnson-Cook constitutive model, which presents good performance with metallic alloys and relatively low computational cost. The proposed damage variable was included into the constitutive equation, as a way of coupling it to the stress, enabling the representation of the softening effect caused by damage increase. The developed model was implemented computationally using a finite element method code, and a tensile test of a notched axisymmetric coupon was simulated. The results were compared to experimental tests available in the references, and the errors found were 4,5% for the triaxiality value and 7,9% for the failure strain value. The overall behavior of the ductility was correctly captured, as the failure surface of the model was similar to the reference. It was identified a significant sensitivity of the failure strain with respect to the triaxiality and Lode parameter, what highlights the role of these variables in predicting the failure of this kind of material. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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