Fatigue life prediction of overhead conductors and their wires : experimental and numerical investigations

Abstract

O comportamento em fadiga de cabos condutores é um problema complexo, envolvendo centenas de regiões de contato, plasticidade localizada, desgaste e atrito. O aumento no poder de computação e os avanços recentes na modelagem 3D em elementos finitos (FE) de sistemas condutor-grampo motivaram pesquisadores a buscar abordagens baseadas em FE para a análise de dano por fadiga do condutor. Essas abordagens são baseadas em uma combinação de uma análise em escala global do sistema condutor-grampo, com uma análise em escala local dos fios sob fadiga por fretting. Entretanto, pesquisas ainda são necessárias para melhorar a acurácia dessas abordagens considerando diferentes geometrias de condutor, materiais de fio e condições de carregamento. Nesse contexto, essa tese visa propor novas metodologias para previsão de vida de cabos condutores e seus fios por meio de análises experimentais e numéricas. Essa tese é organizada como uma coleção de três artigos científicos do autor e de colaboradores, que já foram publicados ou estão sob processo de submissão/revisão. No primeiro artigo, ensaios de fadiga por fretting sob carregamento de amplitude constante (CAL) foram realizados utilizando fios da liga de alumínio (AA) 1120 de um condutor AAAC (Cabo de Alumínio Liga) 823 MCM. Um ensaio de tração e ensaios axiais de fadiga em corpos de prova de fio lisos e com entalhe em V também foram realizados. Os dados dos ensaios de fadiga foram utilizados para comparar o AA1120 ao AA1350 e ao AA6201, duas ligas tipicamente utilizadas para fabricação dos fios de condutores. Sob tração, o AA1120 exibiu um limite de resistência à tração intermediário aos do AA1350 e do AA6201. Para as mesmas amplitudes de tensão, os fios de AA1120 utilizados nos ensaios axiais de fadiga tiveram vidas mais longas que os fios de AA1350, mas consideravelmente mais curtas que os fios de AA6201. Entretanto, sob fadiga por fretting, tanto os fios de AA1120 quanto de AA6201 tiveram resistência à fadiga similar. Os dados dos ensaios também foram utilizados para avaliar um critério de previsão de vida para fios sob fadiga por fretting baseado na Teoria das Distâncias Críticas (TCD). A maior parte das vidas previstas estiveram dentro de fatores de 3 das vidas medidas. A acurácia das previsões foi similar à observada em estudos prévios, nos quais a mesma metodologia foi aplicada a dados de ensaios de fadiga por fretting em fios de AA1350 e AA6201. Esses resultados mostram que a metodologia pode ser uma ferramenta confiável para a análise de dano por fadiga de fios de diferentes materiais submetidos à fadiga por fretting e a CAL. No segundo artigo, ensaios de fadiga por fretting sob carregamento de amplitude variável (VAL) foram realizados em fios de AA6201-T81 de um condutor AAAC 900 MCM. A variação de amplitude foi representada a partir de um histórico de carregamento de três blocos. As condições de carregamento foram definidas utilizando-se medições de vibração de uma linha de transmissão em operação localizada na região centro-oeste do Brasil. Duas metodologias de previsão de vida de fios foram estendidas para condições de VAL e foram avaliadas utilizando os dados dos ensaios de fadiga por fretting. Uma das metodologias é o mesmo critério baseado na TCD considerado no primeiro artigo, enquanto a outra é baseada em uma curva de fadiga mestre. Ambas metodologias forneceram previsões de vida dentro de fatores de 4 das vidas medidas. A acurácia obtida nesse estudo suporta o uso das metodologias propostas para previsão de vida de fios sob condições de VAL. O terceiro artigo é focado na previsão de vida de um condutor ACSR (Cabo de Alumínio com Alma de Aço) Ibis 397,5 MCM sob sequências de carregamento high-low e low-high. Para isso, uma metodologia de previsão de vida baseada em modelagem 3D em elementos finitos de sistemas condutor-grampo foi estendida para incluir condições de VAL. Primeiramente, a metodologia foi aplicada a dados de ensaios de fadiga com CAL para avaliar se esta é capaz de descrever com acurácia a falha por fadiga do condutor ACSR Ibis. Em seguida, a metodologia foi avaliada utilizando dados de ensaios de fadiga conduzidos sob um histórico de carregamento de dois blocos. A maior parte das previsões esteve dentro de fatores de 3 das vidas medidas. Para os ensaios com VAL, a metodologia levou em consideração o efeito da sequência de carregamento na falha por fadiga de forma acurada, fornecendo estimativas de vida mais longas para os ensaios sob sequência high-low do que para aqueles sob sequência low-high. Além disso, a metodologia foi capaz de prever as posições das quebras de fios para os ensaios com VAL em acordo com as observações experimentais. Esses resultados sugerem que a metodologia pode ser estendida para condições de VAL e ser utilizada para prever acuradamente as vidas, os efeitos da sequência de carregamento e as regiões críticas para falha por fadiga de condutores.