Determinação de plano crítico em fadiga multiaxial com estimativa de amplitude de tensão cisalhante em componentes mecânicos através de diferentes critérios de falha

Abstract

A fadiga multiaxial é a principal causa de falhas em componentes mecânicos. A complexidade dos estados multiaxiais de tensão exige modelos de fadiga mais detalhados que os modelos uniaxiais. Este trabalho busca avaliar a precisão de previsão de falha por fadiga em componentes mecânicos através da influência de tensões médias e histórias de carregamento experimentais sujeitos a carregamentos proporcionais e não-proporcionais e em diferentes regimes temporais. Paralelamente, analisa-se a orientação dos planos críticos estimados. Esta avaliação no cálculo da amplitude de tensão cisalhante realizado por meio dos modelos de fadiga multiaxiais: o Método do Máximo Retângulo Circunscrito (MMRC) que identifica a máxima amplitude de tensão cisalhante dominante via rotação do retângulo mínimo circunscrito à história de tensões; o Método do Momento de Inércia (MOI) que calcula o plano crítico pelo momento de inércia máximo de um suposto objeto físico dado a representação da história de carregamento; o Método da Máxima Variância (MVM) que busca encontrar a direção mais significativa que representa a máxima amplitude de tensão cisalhante e a severidade deste carregamento e, o Método de Socie. Posteriormente aplicam-se os Critérios de Falha de Susmel e Lazzarin e o Critério de Falha de Findley que apresentam a relação linear entre a máxima amplitude de tensão cisalhante e a tensão normal máxima resultando em um parâmetro de fadiga. Pelo Critério de Susmel e Lazzarin, em carregamentos síncronos e em fase sob 𝜎𝑚 = 0, a precisão de previsão de falha dos componentes mecânicos estudados tem um índice de erro de aproximadamente ±15% caracterizando uma superestimação do dano. Já em condições de carregamento assíncronos e fora de fase, os índices de erro na previsão de falha são de -20% nos modelos de fadiga de MOI e MVM, caracterizando a subestimação do dano, isto é, a falha é prevista antes do que realmente possa acontecer. No Critério de Falha de Findley, carregamentos sob 𝜎𝑚 ≠ 0 apresentam precisão de previsão de erro que podem se aproximar de +50% de acordo com as limitações físicas dos modelos de fadiga testados como o Modelo de Socie, caracterizando uma previsão de falha conservadora, ou seja, a previsão de falha é estimada antes que a falha por fadiga aconteça. Estes resultados são fortalecidos pela métrica de avaliação de RMSE e validado pela validação cruzada de k-fold, com resultado igual a 6,04 %. Independente do modelo e do critério de falha, grande parte dos componentes ensaiados apresentam seu plano crítico a 90º, ou seja, por mais que a trajetória das tensões possa ser excêntrica, em carregamentos multiaxiais mais conservadores, o dano está presente na ortogonalidade da ação das tensões. E com a implantação de linguagem computacional adequada, tem-se a determinação do custo computacional na estimativa do plano crítico, o que é função da natureza do modelo de fadiga. Em que se destaca a capacidade de estimativa do plano crítico: o modelo de fadiga do MVM que alcança resultados em unanimidade, mais rápidos que os modelos de MOI e MMRC/MRH, iguais a 10-5 segundos. Assim, conclui-se que, mesmo com as características individuais e limitações de cada modelo e critério de falha por fadiga, todos modelos são estratégias eficazes na previsão de falha de um componente mecânico.