Uma extensão do modelo de Gurson para análise de fadiga seguindo uma metodologia incremental

Abstract

Esta tese propõe uma extensão do modelo de Gurson (1977) para descrição do processo gradual de degradação sofrido por materiais dúcteis submetidos a carregamentos multiaxiais cíclicos, permitindo sua aplicação em previsões de vida à fadiga, sob regime de baixo e alto número de ciclos, por meio de uma metodologia incremental. Para tal, é adotada a lei de endurecimento cinemático proposta por Armstrong-Frederick (1966) e modificado o mecanismo de crescimento de defeitos, proposto originalmente por Gurson (1977), de modo a assumir taxas de evolução diferentes para as etapas de tração e compressão, proporcionando, em condições de carregamentos axiais alternados, o acúmulo de dano ao final de cada ciclo. Além disso, a incapacidade do modelo de Gurson em prever o crescimento do dano em condições de baixa triaxialidade é sanada por meio da utilização do mecanismo de cisalhamento proposto por Nahshon e Hutchinson (2008). A extensão proposta demonstra sua eficiência ao prever níveis de degradação em concordância com os apresentados por um modelo de célula unitária em elementos finitos, semelhante ao adotado por Steglich et al. (2005), possibilitando sua aplicação em uma abordagem incremental para previsões de vida em condições de fadiga de baixo número de ciclos. A abordagem é validada com base em dados experimentais, retirados da literatura, provenientes de ensaios de fadiga controlados por deformação, realizados em corpos de prova tubulares de parede fina fabricados com os aços S460N e SAE 1045. Posteriormente, a ampliação da abordagem para previsões de vida em regime de alto número de ciclos, condição em que ocorre deformação plástica apenas na escala da microestrutura do material, é feita pela adoção da estratégia de análise do comportamento do material em duas escalas, introduzida por Lemaitre et al. (1999). Por sua vez, a validação da abordagem em duas escalas é realizada com base em resultados experimentais obtidos a partir de uma série de ensaios de fadiga realizados por controle de força em corpos de prova ampulheta, fabricados com o aço offshore de Grau R4. Por fim, é realizado um estudo de caso em que a abordagem proposta é aplicada na previsão de vida de trechos de amarras submetidos aos mecanismos de tração e flexão fora do plano (OPB), tais mecanismos são apontados como principais responsáveis por falhas prematuras de linhas de ancoragem utilizadas em unidades flutuantes para extração de petróleo em alto mar. Os dados experimentais utilizados no estudo são obtidos por meio de ensaios de fadiga realizados em trechos de amarras compostos por nove elos comuns e com malhete, fabricados sob encomenda com o aço Grau R4. A abordagem proposta demonstra sua capacidade preditiva ao estimar vidas em concordância com os valores observados experimentalmente, apresentando um grau de precisão próximo ao obtido pelo critério de fadiga SWT (1970).