Article thumbnail
Location of Repository

Numerical studies on fretting fatigue modelling

By Raphael Araújo Cardoso

Abstract

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.Esse trabalho foi realizado no contexto de uma cooperação de pesquisa internacional entre a Universidade de Brasília, a Agência Espacial Brasileira (AEB), a ENS Paris-Saclay e o grupo SAFRAN. O principal objetivo desta cooperação é a investigação do fenômeno de fadiga por fretting, problema de contato associado a cargas de fadiga que é responsável por reduzir consideravelmente a vida em fadiga de componentes mecânicos devido às elevadas concentrações de tensão, o desgaste e as condições de carregamento não proporcionais envolvidas nestes problemas. Levando-se em consideração o elevado custo computacional presente quando avalia-se aplicações industriais, um dos objetivos deste trabalho é melhorar a performance de simulações de fretting através do uso de uma abordagem de enriquecimento. A ideia é aproveitar-se do fato de que os campos mecânicos ao redor das bordas de contato cilíndricos sob condições de fretting são similares aqueles encontrados nas proximidades da ponta da trinca em problemas de mecânica da fratura linear elástica. Essa semelhança torna atrativa a ideia de enriquecer simulações de fretting via elementos finitos fazendo-se o uso do X-FEM (Método dos Elementos Finitos Estendidos), que permite o uso de malhas mais grosseiras enquanto se mantém uma boa precisão dos resultados. Como será mostrado neste trabalho, fazendo-se o uso da técnica de enriquecimento é possível trabalhar com malhas até 10 vezes mais grosseiras quando comparadas com o método dos elementos finitos convencional, o que permite uma forte melhora na performance computacional. Esse trabalho também investigará a influência de se considerar os efeitos do desgaste na predição da vida em fadiga sob condições de fretting. Portanto, simulações de fretting via método dos elementos finitos foram conduzidas considerando a atualização das superfícies de contato devido a remoção de material e os resultados foram comparados com dados experimentais e simulações onde o efeito de desgaste é desprezado (hipótese simplificadora comumente adotada quando avalia-se problemas de fadiga por fretting). Critérios convencionais de fadiga multiaxial associados à Teoria das Distâncias Críticas foram utilizados a fim de estimar vida. Os resultados mostraram que, para os dados investigados, onde ensaios de fretting foram conduzidos em uma liga Ti-6Al-4V sob condições de escorregamento parcial, considerar o desgaste nas análises pode ligeiramente melhorar a precisão nas estimativas de vida. Entretanto, essa ligeira melhora pode não ser justificável ao se considerar os elevados custos computacionais quando comparado com abordagens padrões onde o efeito de desgaste é desprezado.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).This work has been undertaken in the context of an international research cooperation between the University of Brasilia, the Brazilian Space Agency (AEB), the ENS Paris-Saclay and the SAFRAN group. The main subject of this cooperation is the investigation of fretting fatigue, which is a contact problem in conjunction with fatigue loads responsible for reducing considerably components' fatigue life due to the high stress concentration, wear and non-proportional loading conditions involved in such problems. Regarding the high computational costs involved when assessing industrial applications, one of the aims of this work is to improve the performance of fretting simulations making use of an enrichment approach. The idea is to take advantage of the fact that the mechanical fields around the contact edges in cylindrical contact configurations under fretting conditions are similar to the ones found close to the crack tip in linear elastic fracture mechanics problems. This similarity makes attractive the idea of enriching finite element fretting simulations through the X-FEM framework, which enables us to work with coarser meshes while keeping a good accuracy. As it will be shown in this work, it is possible to work with meshes up to 10 times coarser than it should be if a conventional FE method was used allowing a strong improvement of the computational performances. This work will also investigate the influence of considering wear effects in the prediction of fretting fatigue lives. Therefore, fretting fatigue FE simulations have been carried considering the geometry update due to the material removal and results were compared to both experimental data and FE simulations where wear effects were neglected (simplifying strategy usually adopted when evaluating fretting fatigue problems). Conventional multiaxial fatigue criteria in association with the Theory of Critical Distances have been used in order to predict life. Results have shown that, for the data here assessed, where fretting fatigue tests were conducted on a Ti-6Al-4V alloy under partial slip conditions, considering wear effects might slightly increase the accuracy of life predictions. However, this slight improvement may not be worthwhile regarding the increase in the computational cost when compared to standard approaches where wear is neglected

Topics: Fadiga por fretting, Fadiga multiaxial, Mecânica de fratura, Previsão de vida
Year: 2019
OAI identifier: oai:repositorio.unb.br:10482/35020

Suggested articles


To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.