um novo critã

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UM NOVO CRITÉRIO DE FADIGA MULTIAXIAL
C. de A. Gonçalves, E.N. Mamiya, J.A. Araújo
Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Tecnologia, Universidade de
Brasília, 70910-900 Brasília, DF, Brasil
Palavras-chave: fadiga multiaxial de alto ciclo, carregamento não-proporcional
RESUMO
Em muitas situações práticas, os componentes mecânicos estão sujeitos a ciclos
complexos de carregamentos multiaxiais não-proporcionais. O esforço no desenvolvimento
de novos critérios de fadiga mais exatos e com menor custo computacional capazes de
predizer a durabilidade dessas estruturas é bastante relevante.
Tendo em vista que o dano por fadiga é precedido por nucleação de micro-trincas e
que a plasticidade tem papel importante neste processo, a tensão cisalhante deve ser
considerada como fator fundamental na modelagem do fenômeno. Outra variável que afeta
a resistência à fadiga, como mostrado por Sines (1959), é a tensão normal atuante na microtrinca. Nessas condições, muitos critérios de fadiga podem ser escritos como:
 eq  p max   ,
(1)
onde  eq é a amplitude da tensão cisalhante equivalente, p max é o máximo valor da tensão
hidrostática observada ao longo da história de tensão, enquanto  e  são parâmetros do
material.
Neste trabalho, apresentamos um critério de resistência à fadiga baseado em novas
definições das funções  eq e p max da expressão (1) e o comparamos com os critérios
propostos por Crossland(1956), Papadopoulos (1997) e Mamiya & Araújo (2002).
Propomos o conceito do menor elipsóide que circunscreve a história de tensão como
sendo a medida apropriada para a tensão cisalhante equivalente. Quando tal elipsóide é uma
boa aproximação para o envelope complexo da história de tensão, Mamiya & Araújo
(2002) deriva uma expressão para  eq que pode ser quase trivialmente computado:
5
 i2 
 eq 
i 1
5
a
i 1
2
i
,
(2)
onde i , i=1,...,5 são os semi-eixos do elipsóide que circunscreve a história de tensão
projetada no espaço desviador e a i , i=1,...,5 são as amplitudes dos componentes si (t ) das
tensões desviadoras definidas como ai  max | si (t ) |, i  1,...,5.
t
Muitos critérios consideram a tensão hidrostática como medida da solicitação à
fadiga produzida pela tensão normal. Como observado por Papadopoulos (1997), a tensão
hidrostática é basicamente a quantidade obtida pela média da tensão normal em todos os
planos que passam por um dado ponto material. Neste trabalho, adotamos a hipótese de que
a pior situação – que corresponde a considerar a existência de uma micro-trinca orientada
ortogonalmente à máxima tensão principal – deve ser considerada em vez da solicitação
média dada pela máxima tensão hidrostática.
Baseado nestas considerações, propomos o seguinte critério de resistência à fadiga
multiaxial de alto ciclo:
5
a
i 1
2
i
  p max   ,
(3)
onde a i , i=1,...,5 são definidos como em (3) e  p max é a máxima tensão principal atuante
no ponto material ao longo da história de tensão, enquanto  e  são parâmetros do
material. Os parâmetros  e  podem ser computados em função de f 1 e t _ 1 que são,
respectivamente, os limites de resistência à fadiga para solicitações de flexão e torção
alternadas.
Experimentos de fadiga multiaxial proporcional e fora de fase para diferentes
materiais foram considerados para avaliar o critério proposto. A qualidade dos resultados
produzidos pelo nosso modelo é medida por um índice de erro I definido como:

1  5 2
(4)
I
ai   p max     100 (%),


  i 1

que diz quão perto a previsão do critério está dos dados experimentais. Um índice I
negativo caracteriza uma previsão de resistência à fadiga não conservativa pois indica que a
solicitação não atingiu o valor crítico enquanto os resultados experimentais representam a
situação limite. Por outro lado, um índice I positivo fornece uma estimativa conservativa e
I=0 significa uma previsão perfeita para a resistência à fadiga observada. A aplicação do
modelo proposto para os dados experimentais produziu um índice de erro que, nos piores
casos, variou de –8,74% a 15,34% para todos os materiais e condições de carregamento
analisadas. Os resultados fornecidos tanto por Papadopoulos (1997) quanto por Mamiya &
Araújo (2002) variam de -15,3% a 7,3%, enquanto que o critério de Crossland fornece
previsões significativamente mais pobres. No modelo proposto, pode-se observar
claramente no índice de erro uma tendência para a região conservativa quando se tem
tensão média não nula na história de carregamento.
Conclui-se dizendo que um novo critério de fadiga multiaxial muito simples de
implementar foi proposto. Aplicação deste critério para quatro materiais diferentes sob
estados de tensão multiaxial, em fase e fora de fase produziu boas previsões para a
resistência à fadiga. Tal critério sempre resulta em estimativas mais conservativas que as
dos outros critérios considerados quando há tensão média normal ou cisalhante presente na
história de carregamento. Por outro lado, quando não há tensão média, as previsões foram
essencialmente as mesmas para todos os critérios com exceção de Crossland. A
característica mais importante do modelo proposto é sua grande simplicidade de
implementação.
REFERÊNCIAS
Crossland, B., 1956, “Effect of large hydrostactic pressure on the torsional fatigue strength
of na alloy steel”, Proc. Int. Conf. On Fatigue of Metals, ImechE, London, pp. 138-149.
Mamiya, E. N., Araújo, J. A., 2002, “Fatigue limit under multiaxial loadings: on the
definition of the equivalent shear stress”, Mech. Res. Communication, Vol.19, pp. 141-151.
Papadopoulos, I. V., Davoli, P., Gorla, C., Filippini, M. & Bernasconi, A., 1997, “A
comparative study of multiaxial high-cycle fatigue criteria for metals”, Int. J. Fatigue, Vol.
19, pp. 219-235.
Sines , G., 1959, “Behavior of metals under complex static and alternating stresses” in:
Sines, G. & Waisman, eds.: Metal Fatigue, McGraw-Hill, New York, pp. 145-169.
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