Como os engenheiros preveem quando um material falhará sob estresse repetido? Este artigo apresenta a curva S-N, uma ferramenta fundamental na análise de fadiga. Você aprenderá como a tensão média, a conversão de tensão multiaxial e a tensão irregular são tratadas para prever a vida útil do material à fadiga. A compreensão desses conceitos pode ajudar a projetar componentes mais duráveis e confiáveis. Continue lendo para explorar os meandros da análise de fadiga e garantir a longevidade de seus projetos de engenharia.
As propriedades de fadiga dos materiais são normalmente expressas por meio de ciclos de tensão uniaxial, conhecidos como curvas S-N. É importante observar que a teoria da fadiga baseada na mecânica da fratura não está sendo considerada neste contexto.
A variação da tensão ao longo do tempo geralmente segue um padrão regular, como uma onda senoidal, uma onda quadrada ou um pulso. No entanto, a influência da tensão média no desempenho da fadiga geralmente é desconsiderada (ou seja, o impacto de r=Smin/Smáximo ≠ -1).
Na realidade, o estado de tensão geralmente é multiaxial, com uma variação irregular de tensão e r≠-1. A correspondência entre a tensão real e o desempenho de fadiga medido em laboratório, que envolve variação regular de tensão, tensão uniaxial e r=1, forma a base para a análise de fadiga.
Quando há curvas S-N disponíveis para diferentes valores de r, o método de interpolação é normalmente empregado para determinar a curva S-N para valores de r desconhecidos.
Nos casos em que apenas uma curva S-N com r=-1 estiver disponível, a fórmula a seguir pode ser utilizada para calcular a tensão equivalente. Essa fórmula converte a tensão uniaxial de r≠-1 para a tensão uniaxial quando r=-1, que é conhecida como tensão equivalente:
Onde, Sa é a amplitude da meia tensão, Se é a tensão equivalente desejada, Sm é a tensão média, e diferentes valores de Su e n constituem teorias diferentes:
As seguintes opções de tensão estão disponíveis para determinar o tipo de tensão usada para a transformação: Tensão equivalente de Von Mises, tensão de cisalhamento máxima, tensão principal máxima ou um componente de tensão específico (como Sx, Syz, etc.).
Às vezes, a tensão de Mises com um sinal também é empregada, com sua magnitude permanecendo inalterada. O sinal corresponde ao sinal da tensão principal máxima. Uma vantagem desse método é que ele permite a consideração de efeitos de tensão ou compressão, que são refletidos na tensão média ou r.
Semelhante ao teoria da forçaA conversão da tensão equivalente de Von Mises e da tensão máxima de cisalhamento é adequada para materiais com alta ductilidade, enquanto a conversão da tensão principal máxima é adequada para materiais frágeis.
A curva de tempo de tensão uniaxial equivalente de irregularidade alta e baixa é analisada para extrair uma série de ciclos de tensão simples (Sa, Sm) e seus horários correspondentes.
A contagem e as estatísticas podem ser obtidas por meio de vários métodos, incluindo o método dependente do caminho e o método independente do caminho.
O método de correlação de caminhos, que é o método de contagem de fluxo de chuva mais amplamente utilizado, é aplicado para concluir o processo de contagem. Seu algoritmo e princípio são explicados em "Downing, S., Society, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue, 4, 31 - 40".
Após o tratamento do fluxo de chuva, a curva de tempo de tensão irregular é transformada em uma série de ciclos simples (Sa, Sme nionde ni é o número de ciclos).
Esse método permite a aplicação da teoria de acumulação de danos (critério de Miner) para calcular e analisar: Soma (ni/Ni), em que Ni é a vida útil correspondente ao ciclo de estresse (considerando Sa, Smveja acima).
Essa técnica é comumente usada para medir o fator de segurança após um determinado número de ciclos ou a vida útil correspondente de um ciclo de tensão complexo específico.
Atualmente, os softwares comerciais de análise de fadiga baseiam-se principalmente no processo mencionado acima.
No entanto, deve-se observar que a análise de fadiga é uma análise empírica, e atualmente não existe uma teoria madura e completa.
Há várias perspectivas em relação à conversão de tensão multiaxial em tensão uniaxial.
A tensão de Von Mises, por exemplo, é uma quantidade de dimensão de tensão baseada na ideia da energia específica da mudança de forma.
Usar os conceitos de positivo e negativo ou de tensão e compressão é um método impreciso e não é recomendado.
A seleção do tipo de tensão a ser adotada depende da possível tendência de rachaduras em materiais ou estruturas para determinar qual tipo de tensão é o principal fator de controle falha por fadiga.
A prática de engenharia mostrou que o aço com boa plasticidade é frequentemente danificado devido ao carregamento dinâmico repetido da tensão principal em casos de falha por fadiga.
Suplemento sobre o tratamento do efeito do estresse médio:
"Se houver curvas S-N com valores R diferentes, o método de interpolação geralmente é usado para determinar a curva S-N com valores R desconhecidos."
Esse é apenas um método, que é útil quando há várias tensões a serem verificadas. Entretanto, esse método pode ser complicado quando se verifica apenas a vida útil de uma tensão.
Outro método é determinar a meia amplitude de tensão equivalente sob a condição de R = -1 e, em seguida, aplicar a curva S-N diretamente.
Quando há uma tensão média, a curva S-N não pode ser usada diretamente. Em vez disso, use a CURVA DE GOODMAN ou a CURVA DE GOODMAN modificada.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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