Validação experimental de soluções de flexibilidade elástica aplicáveis a amostras SE (B)

Abstract

Avaliações de integridade estrutural e previsão de falha de componentes contendo trincas são altamente dependentes da precisa determinação de propriedades de tenacidade à fratura (como por exemplo, curvas J-R) e resistência à propagação de trincas por fadiga (como por exemplo, da/dN vs. ?K). Em ambos os casos, tais resultados só podem ser obtidos se estiverem disponíveis metodologias que consigam estimar o tamanho instantâneo da trinca durante o ensaio. A técnica mais comumente utilizada para a obtenção do tamanho instantâneo da trinca é a da flexibilidade elástica no descarregamento, que consiste na medição da flexibilidade momentânea (inverso da rigidez) da amostra quando esta sofre um descarregamento parcial. Assim sendo, este trabalho visa validar experimentalmente soluções de flexibilidade elástica obtidas de simulações refinadas de elementos finitos para geometrias SE(B) e que incorporam efeitos 3D. Para tal, inicialmente é apresentada uma breve revisão do estado da arte no assunto, a importância da medição acurada do comprimento instantâneo da trinca e as limitações atualmente existentes nas formulações de flexibilidade elástica. Frente às limitações identificadas, é apresentada a matriz de análise incluindo ensaios de amostras de variadas geometrias SE(B) fabricadas em aço ASTM A516. Os valores reais de comprimento de entalhe e trinca obtidos experimentalmente das fractografias são então confrontados com os previstos por meio de normas correntes e de simulações numéricas em elementos finitos. As previsões médias das formulações obtidas empregando elementos finitos e incluindo efeitos 3D são mais próximas dos dados reais que as formulações disponíveis nas normas correntes, mas existe superposição dos desvios-padrão. Do ponto de vista de aplicabilidade, houve grande aderência das formulações existentes às amostras enquanto entalhadas, mas foi obtido um expressivo incremento dos erros quando da medição em condição pré-trincada. Os resultados alcançados ampliam o conhecimento sobre a validade e as limitações das soluções numéricas existentes e as recentemente propostas, motivando a continuidade dos estudos.

Structural integrity assessments and failure predictions of components containing crack-like defects are highly dependent on the accurate estimation of fracture toughness (as example, JR curves) and resistance to fatigue crack propagation (as example, da/dN vs. ?K). In both cases, such results can only be obtained if methodologies are available that manage to estimate the instantaneous crack size during the test. The most commonly used technique for instantaneous crack size estimation is the elastic unloading compliance, which consists of the instantaneous compliance (stiffness inverse) measurement of the specimen when it is subjected to a partial unloading. Therefore, this work aims the experimental evaluation of elastic compliance solutions obtained from refined finite element simulations for SE(B) geometries and which incorporates 3D effects. To guarantee this goal, initially is presented a brief review of the state of the art on this subject, the importance of accurate measurement of instantaneous crack length and the current existing limitations on elastic compliance formulations. To face the identified limitations, the analysis matrix is presented including tests on samples from various SE(B) geometries made of ASTM A516 steel. The real experimental results (obtained from fractographic analyses) are then compared to values predicted by current standards and from finite element numerical simulations. In average, recent solutions obtained from FEM analysis including 3D effects presented closer agreement than standardized techniques, however, standard deviations presented superposition. In terms of applicability, the available solutions were very accurate when applied to notched samples. On the other hand, prediction errors increased when applied to precracked samples. The achieved results extend the knowledge about the validity and limitations of existing numerical solutions and from others recently proposed.