Uma metodologia de análise de confiabilidade à fadiga utilizando a Teoria da Distância Crítica

Abstract

A presente tese visa investigar o domínio de atuação do conceito de distância crítica considerando a estocasticidade da falha por fadiga. Como ferramenta numérica propõe uma abordagem probabilística baseada na análise de confiabilidade para avaliar a falha por fadiga utilizando a Teoria da Distância Crítica na formulação da função de estado limite de falha. Para tanto, simulações numéricas foram conduzidas tendo como dados de entrada os parâmetros de fadiga do aço ASTM A743 CA6NM e as características geométricas de espécimes entalhados para investigar o comportamento estocástico das predições da tensão na distância crítica e do limiar de propagação de trincas. Probabilisticamente o modelo de confiabilidade foi verificado a partir da análise de sensibilidade dos parâmetros que controlam a falha por fadiga, a previsão da margem de segurança e a estimação da probabilidade de falha. Os resultados mostraram que o conceito de distância crítica se comporta bem em um domínio de entalhes agudos até suaves e que relações entre o raio do entalhe e o tamanho da seção transversal na região do entalhe da ordem de 1% podem marcar a transição entre entalhe agudo e suave. As predições da distância crítica, da tensão na distância crítica e do limiar de propagação de trincas são sensíveis aos parâmetros associados ao limite de fadiga do espécime entalhado independentemente da geometria e da abordagem adotada. Além disso, verificou-se que o conhecimento da distribuição de probabilidade das funções de resistência e de solicitação permite a estimação da tensão de resistência à fadiga média para dada probabilidade de falha, bem como, a previsão da probabilidade média de falha para dado nível de solicitação. Essas informações são de grande valia para a otimização de projetos mecânicos. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This thesis aims to investigate the work domain of critical distance concept considering the stochasticity of the fatigue failure. As a numerical tool it is proposed a probabilistic approach based on reliability analysis to assess fatigue failure using the Theory of Critical Distances on the formulating of the limit state of failure. Therefore, numerical simulations were carried out using fatigue parameters of ASTM A743 CA6NM alloy steel and geometrical characteristics of notched specimens as input data to investigate the predicted stochastic behavior of the stress on the critical distance and of the threshold stress intensity factor. Probabilistically the reliability model was verified from the sensibility analysis of the parameters which control the fatigue failure, of the predictions of safety margin and of the estimates of probability of failure. The results showed that the concept of critical distance behaves well from sharp notches until blunt and that relations between the notch root radius and the net section of the order of 1% can mark the transition between sharp and blunt notches. The predictions of the critical distance, of the fatigue stress on the critical distance and of the threshold stress intensity factor are sensitive to the parameters associated to notch endurance limit regardless of the geometry and the critical distance approach adopted. Furthermore, the knowledge about the probability density functions of the capacity and demand allows the estimation of the mean fatigue strength to specific probability of failure, as well, the prediction of the mean strength for a specific probability of failure, as well, allows the prediction of the mean probability to failure for a requested level of load. Those informations are valuable to mechanical design optimization.