Previsão de vida em fadiga baseada na mecânica do dano contínuo

Abstract

Este trabalho propõe a aplicação da Mecânica do Dano Contínuo em problemas de fadiga de baixo e alto número de ciclos na presença de carregamentos multiaxiais, bem como o estudo do problema de fadiga em sistemas de amarração de plataformas tipo FPSO. Para isso, a lei de evolução de dano de Lemaitre foi utilizada, tendo o seu denominador de dano alterado por uma função denominadora de dano dependente da razão de triaxialidade e de dois parâmetros de calibração, um em tração-compressão e outro em torção alternada. Em condições de baixo número de ciclos, em que a deformação plástica macroscópica não podia ser desprezada, o dano no material evoluía de acordo com o campo de deformação plástica macroscópico, e a vida era determinada no instante em que o nível de dano no material atingia o nível de dano crítico, que é uma propriedade do material. Em condições de alto número de ciclos, em que se observava pouca ou nenhuma deformação plástica em nível macroscópico, o problema era tratado através de uma modelagem em duas escalas, em que se assumia a existência de uma inclusão microscópica na matriz do material, com propriedades inferiores àquelas observadas macroscopicamente. Nessa condição, a presença da inclusão induz a um problema de plasticidade localizada e o dano evolui de acordo com o campo de deformação plástica na microescala. Adotou-se a lei de localização de Eshelby-Kröner, que relaciona o campo de deformação total na microescala com o campo de deformação total na macroescala e, novamente, a vida era calculada no instante em que o dano na microescala atingia o nível de dano crítico. Para modelar o encruamento cinemático, adotou-se a proposta de Desmorat, que considera a não saturação das tensões cinemáticas e o controle do colapso incremental. Assim, considerando dados da literatura, a modelagem em uma escala foi testada nos aços SAE 1045 e S460N em carregamentos axiais, torcionais, multiaxiais proporcionais e multiaxiais não proporcionais. Por outro lado, a modelagem em duas escalas foi avaliada em um conjunto de dados experimentais realizados em aço offshore de alta resistência de grau R4, utilizado em sistemas de amarração de FPSOs. Os corpos de prova padrão fabricados em aço grau R4 apresentavam uma condição superficial oxidada semelhante àquela encontrada nos elos das amarras. Ensaios sob carregamentos axiais, torcionais, multiaxiais proporcionais e multiaxiais não proporcionais foram realizados, bem como ensaios uniaxiais de tração monotônica, com o intuito de se obter as propriedades do aço grau R4. Em ambas as modelagens, em uma e duas escalas, observa-se que mais de 95% das vidas calculadas para os ensaios axiais, torcionais e multiaxiais proporcionais estavam dentro de uma banda de dispersão de fator 3 e, para os ensaios multiaxiais não proporcionais, mais de 65% das vidas estimadas estavam dentro de uma banda de dispersão de fator 3. Por fim, um aparato experimental capaz de reproduzir o efeito da fadiga por flexão fora do plano em amarras sob escala reduzida foi utilizado para realização de oito ensaios experimentais em trechos de correntes com nove elos com malhete. Nesse caso, como o comportamento das amarras na escala macroscópica era elástico ou elastoplástico, sendo estabilizado no regime elástico nos primeiros ciclos de carga, utilizou-se o modelo em duas escalas para previsão de vida em fadiga, que foi capaz de estimar 75% das vidas em uma banda de dispersão de fator 3.