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Submitted by Francisco Maciel Monticeli (f.monticeli@unesp.br) on 2021-10-04T14:35:36Z No. of bitstreams: 1 Monticeli FM (Tese Doutorado).pdf: 12480493 bytes, checksum: b575cdc3d5a62f79b5776000a96741a5 (MD5) Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2021-10-05T15:15:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 monticeli_fm_dr_guara.pdf: 12480493 bytes, checksum: b575cdc3d5a62f79b5776000a96741a5 (MD5) Made available in DSpace on 2021-10-05T15:15:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 monticeli_fm_dr_guara.pdf: 12480493 bytes, checksum: b575cdc3d5a62f79b5776000a96741a5 (MD5) Previous issue date: 2021-09-13 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) O desenvolvimento da indústria aeronáutica resultou na busca de materiais que atendam aos requisitos mecânicos para aplicação estrutural, visando também estruturais mais eficiente. Deste modo, os compósitos atendem aos requisitos, porém a dificuldade da aplicação de compósitos avançados ocorre principalmente pelo coeficiente de segurança e aplicação de modelos empíricos e fenomenológico de caracterização mecânica, elevando o dimensionamento devido à baixa resistência interlaminar. A adoção do compósito híbrido (fibra de carbono/vidro) pode apresentar uma solução viável com possibilidade de aumento de propriedade mecânica interfacial em caso de sinergia entre o comportamento de ambos os reforços. A aplicação de laminados híbridos reduz o módulo de elasticidade, considerando em relação de contribuição de cada reforço. Entretanto, notou-se a ausência de estudos de caracterização da propagação da trinca interlaminar dos compósitos laminados híbridos. O objetivo principal deste trabalho é a caracterização da progressão de dano interlaminar em compósitos híbridos (fibras contínuas de carbono/vidro) e o desenvolvimento de um modelo de predição de propagação de trinca, considerando os mecanismos físicos de fratura para um laminado com mais de um tipo de reforço. O laminado híbrido apresentou maior resistência à delaminação nos modos I e II sob carregamento quase-estático e cíclico, comparado aos laminados não-híbridos. Esse comportamento foi confirmado pela aplicação do método de balanço de energia com base em evidências físicas, na qual a maior rugosidade da interface híbrida foi relacionada à maior tenacidade à fratura. O compósito híbrido possui uma superfície mais rugosa devido a uma mudança em escala micrométrica da direção da trinca entre as interfaces fibra de carbono/epóxi e fibra de vidro/epóxi. Os agentes de acoplamento grupo silano atua na interação da interface carbono/epóxi/vidro potencializando a resistência a delaminação. O modelo proposto para a taxa de crescimento de delaminação por fadiga em um compósito híbrido foi desenvolvido baseado no fenômeno de formação de ponte de fibras, no qual foi possível gerar um modelo de predição mais realístico, considerando a medição do padrão de microfratura. Os padrões microscópicos formados durante o crescimento da delaminação refletem a taxa de crescimento no nível macroscópico sob carga cíclica. Para finalizar, a aplicação do projeto de processamento intercalado de fibra de carbono/vidro em um laminado híbrido é uma opção viável para aumentar a resistência à delaminação, uma vez que a interface híbrida requer maior energia para propagação do dano, resultando em maior vida em fadiga. Developments in the aeronautical industry have led to the search for materials that meet the mechanical requirements for structural application, aimed at obtaining more efficient structures. Many composites satisfy these requirements, but advanced composites pose challenges, mainly due to the safety coefficient and the empirical and phenomenological models used for mechanical analysis and prediction. Currently, there is a need for novel design approaches to overcome the low interlaminar resistance. The adoption of a carbon/glass fiber hybrid composite is a viable solution, reducing the manufacturing costs and environmental impacts, while allowing an increase in the properties due to synergy between the two reinforcements. The application of hybrid laminates reduces the elastic modulus, due to the contribution of each reinforcement. Also, the absence of interlaminar crack propagation has been observed for laminated composites with more than one type of reinforcement. The aim of this research was to characterize the interlaminar damage progression in hybrid composites (continuous carbon/glass fiber) and develop a crack propagation model, considering the physical fracture mechanisms when more than one type of reinforcement is used. The hybrid laminate showed greater resistance to delamination in modes I and II under quasi-static and cyclic loading compared to non-hybrid laminates. This behavior was confirmed by applying the energy balance method based on physical evidence, in which the high degree of roughness of the hybrid interface was related to greater fracture toughness. The hybrid composite has a rougher surface due to a microscopic change in the crack direction at the carbon fiber/epoxy and glass fiber/epoxy interfaces. Silane coupling agents influence the interaction at the carbon/epoxy/glass interface, enhancing the toughness behavior. The proposed model for the fatigue delamination growth rate of a hybrid composite was developed based on the fiber bridging phenomenon. A more realistic prediction model was obtained by considering the microfracture pattern measurement. The microscopic patterns formed during delamination growth reflect the growth rate at the macroscopic level under cyclic loading. Lastly, the application of the intercalated carbon fiber/glass stacking sequence in a hybrid laminate is a viable approach to increasing the delamination resistance, since the hybrid interface requires more energy for damage propagation, resulting in a longer life under fatigue loading CAPES: 001 FAPESP: 2017/10606-4

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Este trabalho tem como objetivo avaliar diferentes metodologias de análise de mecânica da fratura por métodos de elementos finitos, utilizando o software de simulação ABAQUS, em especial o método dos elementos finitos estendidos, pois este método, devido a suas características relacionadas ao enriquecimento do espaço analisado, permite que se faça um estudo de propagação de trincas sem a necessidade de uma atualização no estado da malha a cada avanço de trinca. O estudo foi realizado em três etapas: a primeira comparando resultados analíticos, acerca do fator de intensidade de tensão, e experimentais presentes na literatura com os resultados obtidos por meio de um método convencional, ou seja, sem a presença de enriquecimento, de elementos finitos, o método do domínio integral de energia, onde se obteve erros relativos variando entre 2 % e 20 %, e o método dos elementos finitos estendidos, onde os erros relativos variam entre 2 % e 12 %. Após a avaliação do fator de intensidade de tensão, a segunda etapa consiste em utilizar o método dos elementos finitos estendidos para analisar a trajetória de trinca. E a terceira etapa consiste em analisar o aumento do tamanho da trinca em regime de fadiga. A segunda e terceira etapa apresentaram erros relativos menores que 12 %. This work aims to evaluate different fracture mechanics analysis methodologies using finite element methods, using the ABAQUS simulation software, in particular the extended finite element method, because this method, due to its characteristics related to the enrichment of the analyzed space, allows a crack propagation study without the need to update the mesh status in each crack advance. The study was performed in three phases: the first one comparing analytical and experimental results, about the stress intensity factor, present in the literature, with the results obtained by a conventional method, in other words, without enrichment, the energy integral domain, where relative errors obtained vary between 2 % and 20 %, and the extended finite element method, where relative errors obtained vary between 2 % and 12 %; after the evaluation of the stress intensity factor, the second phase consists in using the finite element method for analyze the crack trajectory; and the third phase consists in analyze the increase in the size of the crack under fatigue regime. The second and the third phase presents relative errors under 12 %.

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Neste trabalho foram avaliados o comportamento à fadiga, a fratura e a superfície factrográfica dos corpos de prova fabricados a partir de fios da liga de alumínio 6201 (Al-Mg- Si), que são utilizados para a fabricação do cabo condutor CAL 900 MCM, com diferentes tratamentos térmicos - T4, T6 e T81 - que variaram diferentes temperaturas de solubilização (470 °C, 490 °C, 510 °C, 530 °C e 550 °C), tipos de envelhecimento (artificial e natural) e diferentes tempos de envelhecimento (4 h, 8 h, 12 h, 16 h, 20 h e 24 h para o envelhecimento artificial e 1500 h e 3000 h para o envelhecimento natural). Neste sentido foi desenvolvido um vasto programa experimental para a obtenção dos diagramas S-N (previsão de vida) dos corpos de prova comparando a vida em fadiga, os tipos de fratura e características das superfícies das quebras para os diferentes tratamentos térmicos. Os resultados mostraram que as temperaturas de solubilização de 510 °C, 530 °C e 550 °C apresentaram os melhores resultados de microdureza, e que aumentavam com o acréscimo do tempo de envelhecimento, levando ao aumento da resistência mecânica e da vida em fadiga dos corpos de prova. Com base nos resultados obtidos para os envelhecimentos natural e artificial, verificou-se que quanto maior o tempo de envelhecimento as propriedades mecânicas de dureza e limite de resistência à tração aumentavam, mostrando que os precipitados endurecedores da liga atuam de maneira eficiente para o travamento, ou dificultam, do movimento das discordâncias, inferindo que as partículas endurecedoras da liga têm papel fundamental no aumento da resistência a fadiga e das propriedades mecânicas estáticas do material. Por outro lado, as análises das fraturas não apresentaram grandes diferenças entre os corpos de prova analisados, onde todos apresentaram dimples (característica de uma fratura dúctil) equiaxiais, no sentido da maior tensão, região de propagação macroscópica da trinca e as trincas tendo seu início próximas a superfície. Apesar dos valores de dureza para os corpos de prova tratados com S550A20 e S550A24 (T6) serem semelhantes a dureza obtida nos corpos de prova dos fios como recebido – (tratamento T81), a vida em fadiga entre eles se mostrou bem diferente, inferindo que a etapa de conformação mecânica (trefilação) sofrida por estes fios desempenha papel fundamental no aumento da vida à fadiga dos corpos de prova. In this research work, the fatigue behavior, fracture and factography surface of specimens manufactured from aluminum alloy 6201 wires (Al-Mg-Si), which are used for the production of the conductor cable AAAC 900 MCM, were evaluated with different heat treatments - T4, T6 e T81 - ranging from different solubilization temperatures (470 °C, 490 °C, 510 °C, 530 °C and 550 °C), aging types (artificial and natural) and different aging times (4h, 8h, 12h, 16h 20h and 24h for the artificial aging and 1500h and 3000h for natural aging). In this sense, a vast experimental program was developed in order to obtain S-N diagrams (life prediction) of specimens comparing fatigue life, types of fracture and characteristics of the crack surfaces for different heat treatments. The results showed that the solubilization temperatures of 510 °C, 530 °C and 550 °C showed the best microhardness results, and that they increased with increasing aging time, leading to increased mechanical resistance and fatigue life of specimens. Based on the results obtained for natural and artificial aging, it was found that the longer the aging time, the mechanical properties of microhardness and tensile strength limit increased, showing that the alloy's hardening precipitates act efficiently to lock, or hinder the movement of dislocations, inferring that the alloy's hardening particles had a fundamental role in increasing the fatigue resistance and static mechanical properties of the material. On the other hand, the fracture analyses did not show any great differences between the specimens, where all of them presented equiaxial dimples (characteristics of a ductile fracture), in the direction of the greatest tension, macroscopic crack propagation region and the cracks having their beginning underneath the surface. Despite the microhardness values for the specimens treated with S550A20 and S550A24 (T6) being practically similar to the hardness obtained in the specimens of the wires as received - T81 treatment -, the fatigue life between them proved to be quite different, leading to the belief that the mechanical forming (drawing) undergone by these wires plays a fundamental role in increasing the specimens’ fatigue life.

Tese (Doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Faculdade de Tecnologia, 2021. Esta pesquisa trata da otimização meta-heurística multiobjetivo dos parâmetros de discretização do método sem malha local, para a solução de problemas bidimensionais da elasticidade linear e da mecânica da fratura linear elástica. Para uma discretização nodal, o método sem malha local usa um processo nó a nó para gerar o sistema global das equações de equilíbrio; no domínio local de cada nó, as respectivas equações de equilíbrio são geradas com uma integração numérica reduzida e usadas como base da formulação do método numérico. A aplicação do método numérico local, para cada nó da discretização, requer o uso de dois parâmetros arbitrários que especificam o tamanho do suporte compacto e do domínio local de integração, cujos valores dependem do modelo estudado. A determinação desses parâmetros deve ocorrer dentro de certos limites, encontrados na literatura, para que não causem singularidades na solução numérica. Ao encontro disso, a popularidade dos algoritmos meta-heurísticos pode ser atribuída às suas excelentes características, como: a habilidade de otimizar problemas não suaves, não convexos, multimodais e altamente não lineares; além de simplicidade, flexibilidade e eficiência. Tais vantagens os fazem versáteis para lidarem com uma grande gama de problemas de otimização. Aqui, uma nova abordagem, com algoritmos meta-heurísticos multiobjetivo (NSGA-II, NSGA-III, CMAES, MOEA/D, IBEA, Epsilon-MOEA, SPEA2, GDE3, OMOPSO e SMPSO), já consagrados na comunidade científica, será utilizada na otimização dos parâmetros arbitrários do método sem malha local aplicado na solução de problemas da elasticidade linear e da mecânica da fratura linear elástica. Onde, o desempenho de cada algoritmo utilizado será mensurado a partir das métricas de performance (hipervolume, distância geracional, distância geracional invertida, indicador ε+ e espaçamento) normalmente empregadas na avaliação dos algoritmos multiobjetivo. No final, um ranking de performance mostrará a adequação de cada algoritmo na otimização dos modelos/exemplos abordados. A influência da densidade nodal e do tipo (se regular ou randômica) da discretização do domínio, nos resultados da otimização dos modelos, também será avaliada. This research deals with multiobjective metaheuristic optimization of the discretization parameters of the local mesh free numerical method, to solve two-dimensional problems of linear elasticity and linear elastic fracture mechanics. For a nodal discretization, the local mesh free method uses a node-by-node process to generate the global system of equilibrium equations; in the local domain of each node, the respective equilibrium equations are generated with a reduced numerical integration and used as the formulation basis of the numerical method. The application of the local numerical method, for each node of discretization, requires the use of two arbitrary parameters that specify the size of the compact support and the local integration domain, whose values depend on the model studied. The determination of these parameters must occur within certain limits, found in the literature, such that they do not cause singularities in the numerical solution. In this context, the popularity of metaheuristic algorithms can be attributed to their excellent characteristics, such as: the ability to optimize non-smooth, non-convex, multimodal and highly non-linear problems; in addition to simplicity, flexibility and efficiency. These advantages make them versatile to deal with a wide range of optimization problems. Here, a new approach, with multiobjective metaheuristic algorithms (NSGA-II, NSGA-III, CMAES, MOEA/D, IBEA, Epsilon-MOEA, SPEA2, GDE3, OMOPSO e SMPSO), already well stablished in the scientific community, will be used in the optimization of the arbitrary parameters of the local mesh free numerical method applied to solve linear elasticity and linear elastic fracture mechanics problems. Where, the performance of each algorithm will be measured from the performance metrics (hypervolume, generational distance, inverted generational distance, ε+ indicator and spacing) normally used in the multiobjective algorithms evaluation. In the end, a performance ranking will show the suitability of each algorithm in optimizing the models/examples covered. The influence of nodal density and the type (whether regular or random) of the domain discretization, on the models optimization results, will be assessed too.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021. Este trabalho apresenta uma implementação numérica do problema de escoamento em um meio poroso e no interior de uma fratura hidráulica, assim como a troca de fluido entre os dois domínios. O Método dos Volumes Finitos e o Método dos Volumes Finitos baseado em Elementos são utilizados para a obtenção das equações discretizadas do modelo matemático. É desenvolvido um método de acoplamento para modelar o escoamento entre a fratura e a rocha. Dois modelos distintos para o escoamento na fratura são comparados em termos da acurácia da solução e de seu custo computacional. O primeiro modelo se baseia na solução analítica de Poiseuille para placas planas, tradicionalmente utilizado na literatura, e o segundo modelo, proposto pelo autor, se baseia nas equações de Navier-Stokes. Os resultados obtidos para essa comparação indicam que o uso do modelo de Poiseuille é vantajoso para os problemas usuais de fraturamento hidráulico, com um valor de diferença percentual relativa entre os modelos de aproximadamente 0,1% para um número de Reynolds na entrada na ordem de dez elevado a quinta e com um tempo de computação médio 50% menor para a solução do modelo de Poiseuille. Resultados são mostrados para problemas diversos envolvendo fraturas, com o intuito de discutir e explorar os fenômenos físicos e a implementação numérica desenvolvida. Abstract: This work presents a numerical implementation of the problem of flow in a porous medium and inside a hydraulic fracture, as well as the fluid exchange between the two domains. The Finite Volume Method and the Element-based Finite Volume Method are employed to obtain the discretized equations of the mathematical model. A coupling method is developed to model the flow between the fracture and the rock. Two distinct models for fracture flow are developed and compared in terms of the accuracy of the solution and its computational cost. The first model is based on Poiseuille?s analytical solution for parallel plates, traditionally used in the literature, and the second model, proposed by the author, it?s based on the Navier-Stokes equations. The results obtained for this comparison indicate that the use of Poiseuille?s model is advantageous for regular problems of hydraulic fracturing, with a relative percent difference of approximately 0,1% for a Reynolds number at the entrance of the order of ten to the power of five and a computational time 50% smaller for the solution of Poiseuille?s model. Results are shown for several problems involving fractures, in order to discuss and explore the physical phenomena and the numerical implementation developed.

Orientador: Carlos Henrique Daros Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: No presente trabalho, é investigado o comportamento linear elástico e viscoelástico de sólidos tridimensionais compostos por materiais gradualmente funcionais (MGFs) isotrópicos utilizando o método dos elementos de contorno (MEC). Para o MGF considerado, o módulo de elasticidade varia exponencialmente ao longo de uma, duas ou três direções e o coeficiente de Poisson é mantido constante. Com a finalidade de reproduzir o comportamento viscoelástico do material, os modelos lineares de Kelvin-Voigt e Boltzmann são incorporados na formulação do MEC. Essa metodologia é baseada nas relações constitutivas para viscoelasticidade linear, a qual evita o uso de funções de relaxação ou fluência. O caso especial de gradação exponencial é governado por uma solução fundamental que é aqui revista e implementada. Para lidar com o alto custo computacional envolvido na avaliação das funções de Green são utilizados algorítimos de processamento paralelo sobre os elementos de contorno ou sobre os subdomínios. Além disso, estudos direcionados à mecânica da fratura são desenvolvidos para os meios elásticos e viscoelásticos com a finalidade de se obter os efeitos da gradação do material e do tempo sobre os fatores de intensidade de tensão, deslocamentos de abertura da trinca e taxas de liberação de energia. As formulações são verificadas por meio de estudos de casos e comparadas com respostas analíticas, quando possível, e através de resultados numéricos obtidos na literatura ou com a utilização de software comercial de elementos finitos Abstract: In the present work, the linear elastic and viscoelastic behavior of three-dimensional solids made up of isotropic functionally graded materials (FGMs) is investigated using the boundary element method (BEM). For the FGM considered, the elastic modulus varies exponentially along with one, two, or three directions and the Poisson’s ratio is constant. In order to reproduce the material’s viscoelastic behavior, the Kelvin-Voigt and Boltzmann linear models are incorporated into BEM formulation. This approach is based on the constitutive relations for linear viscoelasticity, which avoids the use of relaxation or creep functions. The special case of material exponential gradation is governed by a fundamental solution that is reviewed and implemented herein. Processing parallel algorithms are used over boundary elements or over subdomains to overcome the high computational cost of evaluating the Green’s functions. Moreover, studies focused on fracture mechanics, considering the elastic and viscoelastic medium, are performed in order to obtain the effects of material gradation and time on the stress intensity factors (SIFs), crack opening displacements (CODs), and energy release rates (ERRs). The formulations are verified by some samples and comparisons with the corresponding analytical responses, when possible, and numerical results from literature or commercial finite element’s software Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica CAPES 33003017 FAPESP 2016/23745-0

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2021. O teste de indentação Vickers permite determinar a tenacidade à fratura (???) a partir de uma constante empírica, módulo de elasticidade, dureza, força aplicada no teste de indentação, e comprimento de trincas. Da literatura, sabe-se que o valor verdadeiro de uma grandeza física só pode ser obtido de forma aproximada, ou seja, os resultados de medições serão acompanhados de alguma fonte de erro. Portanto, a finalidade desse trabalho é avaliar os erros das definições dos modelos matemáticos da tenacidade à fratura de Anstis, Niihara et al., Evans e Charles, Tanaka, e Lankford aplicados a técnica de indentação Vickers para materiais frágeis isotrópicos. Baseado na teoria da propagação de erros para variáveis dependentes, modelos matemáticos dos erros da tenacidade à fratura foram desenvolvidos. Para o desenvolvimento do trabalho foram utilizados dados experimentais referentes aos testes de indentação Vickers em um vidro isolador de alta tensão previamente realizados por Mikowski et al. (2007). Para a obtenção dos objetivos foi aplicada estatística descritiva a fim de avaliar os resultados de média, desvio padrão e coeficiente de variação dos modelos matemáticos da tenacidade à fratura; aplicação da teoria de propagação de erros para tenacidade à fratura das variáveis dependentes, possibilitando a investigação de qual termo dentro dos modelos mais influencia para a propagação; a comparação dos modelos matemáticos dos erros padrões (desvios padrões) dos modelos com os modelos matemáticos desenvolvidos pela propagação de erros da tenacidade à fratura. Com isso, verificou-se que as fontes de erros que apresentaram os maiores valores em todos os modelos matemáticos de erro estão relacionadas com a metade da diagonal da impressão Vickers (?) e ao comprimento da trinca radial (?) gerada no ensaio mecânico de indentação Vickers. Também foi possível evidenciar que os modelos matemáticos de tenacidade à fratura que apresentam os erros padrões (desvios padrões) suprimem os erros das constantes empíricas. Os modelos desenvolvidos neste trabalho generalizam os modelos disponíveis na literatura. Abstract: The Vickers indentation test allows the determination of fracture toughness (???) from an empirical constant, modulus of elasticity, hardness, applied force in the indentation test, and crack length. From the literature, it is known that the true value of a physical quantity can only be obtained in an approximate way, that is, the measurement results will be accompanied by some source of error. Therefore, the purpose of this work is to evaluate the errors in the definitions of the mathematical models of fracture toughness by Anstis, Niihara et al., Evans and Charles, Tanaka and Lankford applied to the Vickers indentation technique for isotropic brittle materials. Based on the theory of error propagation for dependent variables, mathematical models of fracture toughness errors are developed. For the development of the work, an experimental database referring to the Vickers indentation tests in a high-voltage insulating glass, previously carried out by Mikowski et al. (2007). To obtain the objectives, descriptive statistics were applied in order to evaluate the results of mean, standard deviation and coefficient of variation of the mathematical models of fracture toughness; application of the error propagation theory for fracture toughness of dependent variables, enabling the investigation of which term within the models most influences the propagation; the comparison of the mathematical models of the standard errors (standard deviations) of the models with the mathematical models developed by the propagation of errors from fracture toughness. Thus, it was found that the error sources that presented the highest values in all mathematical error models are related to the half of the diagonal of the Vickers impression (?) and to the length of the radial crack (?) generated in the mechanical test of Vickers indentation. It was also possible to show that the mathematical models of fracture toughness that present standard errors (standard deviations) suppress the errors of empirical constants. The models developed in this work generalize the models available in the literature.

Estruturas mecânicas são submetidas aos esforços cíclicos e tendem a colapsar nas condições de fadiga. Existem diversos modelos matemáticos que descrevem a propagação de uma trinca. De forma geral, os modelos de propagação de trinca são classificados pelo tipo de carregamento, que pode ter amplitude de tensão constante ou amplitude de tensão variável. Neste trabalho será explorado o modelo do tipo amplitude de tensão constante proposto por Collipriest. Para muitas aplicações de engenharia é exigido uma estimativa confiável do comportamento da trinca. Portanto, este trabalho apresenta resultados teóricos, que consistem na quantificação de incerteza nos parâmetros de definição no modelo utilizado, tomando como base cotas inferiores e superiores, que “envelopam” os estimadores dos momentos estatísticos de primeira e de segunda ordem da função “tamanho de trinca”, baseadas no método Fast Crack Bounds. Essas cotas são polinômios, definidos na variável número de ciclos, que consideram as incertezas nos parâmetros que descrevem os modelos de propagação de trinca. O método de simulação de Monte Carlo foi utilizado para obter as realizações da função tamanho de trinca a partir de um conjunto de amostras randômicas dos parâmetros característicos do modelo de Collipriest. Essas realizações serão utilizadas para obter os estimadores dos momentos estatísticos do “tamanho de trinca”. A eficiência das cotas para os estimadores dos momentos estatísticos do “tamanho de trinca” é avaliada através de funções “desvio relativo” entre as cotas e as soluções numéricas aproximadas do problema de valor inicial que descreve o modelo de Collipriest. Em geral, a solução do problema de valor inicial que descrevem os modelos de propagação de trincas é obtida através do uso de métodos numéricos, como o método de Runge-Kutta de quarta ordem explícito. Neste trabalho foi utilizado o software MATLAB para obter as soluções que descrevem o modelo de propagação de trincas do modelo de Collipriest. Mechanical structures are subjected to the cicles loads and collapse in fatigue conditions. There are many mathematical models describing the crack propagation. Generally, crack propagation models are classified by the load type, wich can be constant stress amplitude or variable stress amplitude. In this work the Collipriest constant stress amplitude model will be studied. For many engineering applications a reliable estimation of crack propagation are required. Therefore this work presents the theorical results, wich provides in the uncertainty quantification parameters of the used model and considering the lower and upper bounds envelonping the statistical estimators of the first and second terms of the crack size function, on the basis of Fast Crack Bounds method. These bounds are polymonials and defined in the variable cicle number, wich consider the incertanties in parameters of the crack propagation model. The Monte Carlo simulation method was used to obtain the crack size funcion from randomic samples set and based on the Collipriest parameters model. These statistical realization are used to give the estimators and moments of the crack size function. The bounds efficiency of the statistical estimators moments is evaluated throught relative deviations functions between bounds and approximate numerical solutions of the Collipriest model initial value problem. Generally, the initial value problem, wich describes the crack propagtions models, uses numerical methods such as the explicit fourth order Runge-Kutta method. In this work Matlab software will be used to obtain the solutions that describe the Collipriest crack propagation model.

It is known that fracture mechanics has become very important in the design of projects and the development of the maintenance plan for a particular component. Better predictions of failure directly influence the economic cost of the project beneficially, when it is possible to guarantee a safe life in components with the presence of a crack. In this way, several studies have contributed to improving the prediction of the failure of a certain part. The objective of this work is to define the mechanical properties of 7075 T6 aluminum as fracture toughness and Paris law C and m coefficients for crack growth, in addition to comparing the fatigue crack growth test experimentally with the numerical integration method for a load of constant amplitude with a load ratio (R) equal to 0.1. The results presented were satisfactory, enabling the obtaining of reliable values of the Paris constants, as well as the verification of the crack propagation rate when compared to the literature data. Finally, with the analysis of the results, it can be inferred that the use of the coefficients obtained experimentally provides more conservative and precise values of the life estimate than those available in the literature for the evaluated material. This, therefore, further emphasizes the importance of experimental tests in fracture mechanics., Sabe-se que a mecânica da fratura tem se tornado muito importante na concepção de projetos e na elaboração do plano de manutenção de um determinado componente. Melhores previsões de falha influenciam diretamente no custo econômico do projeto de forma benéfica, quando se é possível garantir uma vida segura em componentes com presença de trinca. Deste modo, diversas pesquisas têm contribuído para melhorar a previsão de falha de uma determinada peça. O objetivo deste trabalho é definir as propriedades mecânicas do alumínio 7075 T6 como tenacidade à fratura e os coeficientes da lei de Paris C, e m, para crescimento de trincas, além de comparar o ensaio experimental de crescimento de trinca por fadiga com o método de integração numérica para um carregamento de amplitude constante com razão de carregamento (R ) igual 0,1. Os resultados apresentados mostraram-se satisfatórios propiciando a obtenção de valores confiáveis das constantes de Paris, bem como, a verificação da taxa de propagação de trincas se comparados aos dados da literatura. Por fim, com a análise dos resultados pode-se inferir que a utilização dos coeficientes obtidos experimentalmente fornece valores mais conservadores e precisos da estimativa de vida do que aqueles disponíveis na literatura para o material avaliado. Isso, portanto, ressalta ainda mais a importância dos ensaios experimentais na mecânica da fratura.

Em grande parte dos componentes mecânicos os carregamentos estão sujeitos a alterações de magnitude e em alguns casos orientação. Nestas condições as abordagens aplicáveis para carregamentos estáticos tornam-se insuficientes, em razão da complexidade inerente ao fenômeno de Fadiga, sendo necessário emprego de outras abordagens, como a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). A MFLE propõe diversos modelos de evolução de trincas no sentido de predizer uma vida sob fadiga. O presente trabalho apresentou um novo método de estabelecimento da cota superiora para o Método “Fast Crack Bounds” (FCB), aplicado a modelos de evolução do tamanho da trinca unidimensional, sujeitos a carregamento de amplitude de tensão constante (CATC). Os modelos estudados foram os de Paris-Erdogan e Forman. Realizou-se uma simulação com base em solução numérica aproximada e a combinação convexa das cotas superior e inferior. Mediu-se o desempenho pelo erro relativo em relação à solução numérica obtida pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem, tendo sido observado que o novo método proposto para determinação da cota superior ao modelo FCB apresenta resultados satisfatórios. Most components operate under alternated loading. Under these conditions, the static approach are insufficient describe the behavior, considering the the complexity of the fatigue phenomenon, with the need for other approaches, such as an Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). LEFM has several models of evolution of cracks to describe the crack propagation in fatigue. The present work edscribes a new method of determination to the Upper Bound crack size, under Constant Loading Tension in one dimension. The Paris-Erdogan and Forman models were object of study . A simulation based on the approximate numerical solution was performed, and a convex combination of the upper and lower dimensions applied. Relative error for a numerical solution was measured by the fourth-order Runge-Kutta method, and the new method applied to the FCB model presented satisfatory results.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2020. O objetivo deste trabalho foi investigar a propagação de trinca por fadiga no aço SAE 1045 laminado. Todos os experimentos foram realizados em corpos de prova do tipo C(T) e seguiram as recomendações descritas na norma ASTM 647. Três razões de carregamento (R = 0,1, 0,4 e 0,7) foram estudadas. Os procedimentos de ensaio com K- decrescente e com amplitude de carregamento constante foram usados para obter dados experimentais nas regiões I e II do diagrama taxa de propagação da trinca vs. faixa do fator de intensidade de tensão (da/dN vs. ΔK), respectivamente. O tamanho da trinca foi medido de forma visual, por meio de uma luneta e uma escala colada à superfície lateral do corpo de prova, e pela técnica da variação da flexibilidade elástica do corpo de prova. A taxa de propagação da trinca foi obtida pelo método polinomial incremental de duas formas: extraindo o valor fornecido pelo aplicativo MTS Fatigue Crack Growth TestWare e utilizando-se o script MATLAB implementado neste trabalho. As diferentes formas usadas para determinar o tamanho da trinca e a taxa de propagação da trinca fornecem praticamente os mesmos valores. Observou-se que o limiar da faixa do fator de intensidade de tensão, ΔKth, diminuiu à medida que a razão de carregamento aumentou e que o efeito da razão de carregamento na taxa de propagação da trinca não é significativo na região II do diagrama da/dN vs. ΔK. The objective of this work was to investigate the fatigue crack propagation in rolled SAE 1045 steel. All experiments were carried out on type C(T) specimens and followed the recommendations described in the ASTM 647 standard. Three loading ratios (R = 0.1, 0.4 and 0.7) were investigated. The test procedures with K-decreasing and with constant loading amplitude were used to obtain experimental data in regions I and II of the crack propagation rate vs. diagram stress intensity factor range (da/dN vs. ΔK), respectively. The crack size was measured visually, by means of a telescope and a scale glued to the lateral surface of the specimen, and by the technique of varying the elastic flexibility of the specimen. The crack propagation rate was obtained by the incremental polynomial method in two ways: extracting the value provided by the MTS Fatigue Crack Growth TestWare application and using the MATLAB script implemented in this work. The results showed that the different forms used to determine the crack size and crack propagation rate provide practically the same values. It was observed that the threshold of the range of the stress intensity factor, ΔKth, tended to decrease as the loading rate increases. It was also observed that the effect of the loading ratio on the crack propagation rate is not significant in the region II of the da/dN vs. ΔK diagram.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O presente trabalho apresenta a utilização de estratégias de integração numérica alternativas às convencionais a serem aplicadas no contexto do Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG), especificamente em modelos bidimensionais da Mecânica da Fratura. Propõe-se o emprego da subdivisão de elementos e mapeamento dos pontos de integração em elementos da malha contendo descontinuidades ou singularidades, representando assim de forma mais realista os campos de deslocamentos e tensões. Busca-se validar as estratégias implementadas por meio da análise da energia de deformação e da rigidez calculadas em exemplos variados, comparando-as com casos onde é empregada a quadratura de Gauss convencional. As estratégias citadas são aplicadas também no âmbito do Método dos Elementos Finitos Generalizados Estável (MEFGE), da metodologia global-local (MEFGgl) e da Análise Fisicamente Não-Linear. Obtém-se resultados mais precisos e tempos de processamento reduzidos devido à diminuição do número de pontos de integração, que passam a ser posicionados levando em conta as especificidades do problema. As implementações computacionais foram realizadas como parte da expansão do sistema INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), um projeto de software livre desenvolvido pelo Departamento de Engenharia de Estruturas da Universidade Federal de Minas Gerais. The current work presents the employment of alternative numerical integration strategies over the conventional ones to be applied in the Generalized Finite Element Method context, specifically in two-dimensional Fracture Mechanics models. It is suggested to utilize the subdivision of elements and mapping of the integration points in mesh elements containing discontinuities or singularities, therefore representing the displacements and stress fields more precisely. It is aimed to validate the implemented strategies by analysing the strain energy and stiffness computed in a range of examples, comparing them to conventional Gauss quadrature situations. The cited strategies are also applied in cases modelled by the Stable Generalized Finite Element Method (GFEM), the global-local methodology (GFEMgl) and the Physically Non-Linear Analysis. It is achieved good results and reduced processing times due to the decrease in the number of integration points, which are allocated taking into account problems particularities. Computational implementations were performed as part of the expansion of INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), an open-source software project developed by the Structural Department of the Federal University of Minas Gerais.

Submitted by Ana Maria de Sousa Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-07-08T14:53:55Z No. of bitstreams: 1 DM_ArmandoMacedo_2020_MEM.pdf: 6828147 bytes, checksum: 6e62758eab574f646a80b55885f39493 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Maria de Sousa Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2021-07-08T14:54:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_ArmandoMacedo_2020_MEM.pdf: 6828147 bytes, checksum: 6e62758eab574f646a80b55885f39493 (MD5) Made available in DSpace on 2021-07-08T14:54:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_ArmandoMacedo_2020_MEM.pdf: 6828147 bytes, checksum: 6e62758eab574f646a80b55885f39493 (MD5) Previous issue date: 2020

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-10-20T08:47:52Z No. of bitstreams: 1 DM_LuisNeves_2020_MEM.pdf: 6608656 bytes, checksum: 8e02bdd0fa8640bd0658b8d8e5d2b423 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-10-20T08:48:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_LuisNeves_2020_MEM.pdf: 6608656 bytes, checksum: 8e02bdd0fa8640bd0658b8d8e5d2b423 (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-20T08:48:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_LuisNeves_2020_MEM.pdf: 6608656 bytes, checksum: 8e02bdd0fa8640bd0658b8d8e5d2b423 (MD5) Previous issue date: 2020

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A mecânica da fratura estuda o comportamento das trincas visando compreender e prever a sua propagação até a fratura, com a finalidade de evitar acidentes catastróficos, pois, cerca de 80% das falhas nas indústrias ocorrem devido a fadiga que é originada por trincas. Em geral as previsões realizadas baseiam-se em modelos de referência e matemáticos. A alta complexidade dos problemas de análise de estruturas tem estimulado os engenheiros a recorrerem a métodos numéricos tais como métodos de elementos finitos, diferenças finitas ou elementos de contorno para quantificar a incerteza, visto que normalmente na prática algumas variáveis e condições do problema analisado são desconhecidas. O objetivo deste trabalho é quantificar a incerteza da propagação de trinca no modelo de McEvily via metodologia Fast Crack Bounds (FCB) proposta por Avila et al. (2016). A quantificação da incerteza consiste em obter cotas para os estimadores dos momentos estatísticos do processo estocástico “Tamanho de Trinca” usando o método FCB e simulação de Monte Carlo conjuntamente. O método FCB incide em obter cotas (funções) inferior e superior para a função tamanho de trinca, essas cotas “envelopam” a solução numérica de RungeKutta de ordem 4. As cotas são obtidas por majorações adequadas a partir do Problema de Valor Inicial (PVI) de propagação de trinca de McEvily, por meio da série de Taylor retendo o termo de segunda ordem com resto de Lagrange. Após formular matematicamente as cotas, utiliza-se o software MATLAB na execução dos algoritmos implementados para quantificar a incerteza. Os resultados gerados no MATLAB são as estimativas do primeiro e segundo momento estatístico, bem como os seus desvios e os tempos computacionais entre as cotas e a solução numérica RK4. Estes resultados teóricos são posteriormente apresentados e analisados em forma de tabelas e gráficos. The fracture mechanics studies the behavior of cracks in order to understand and predict their propagation until the fracture, in order to avoid catastrophic accidents, since about 80% of failures in industries occur due to fatigue that is caused by cracks. In general, the predictions made are based on mathematical models. The high complexity of structural analysis problems has encouraged engineers to resort to numerical methods such as finite element methods, finite differences or boundary elements to quantify the uncertainty, since normally some variables and conditions of the analyzed problem are unknown. The objective of this work is to quantify the uncertainty of crack propagation in the McEvily model via the Fast Crack Bounds (FCB) methodology proposed by Avila et al. (2016). The uncertainty quantification consists of to obtain quotas for the estimators of the statistical moments of the “Crack Size” stochastic process using the FCB method and Monte Carlo simulation. The FCB method focuses to obtain quotas lower and upper (functions) for the crack size function, these dimensions “envelop” the numerical solution of Runge-Kutta of order 4. The quotas are obtained by from the Initial Value Problem (IVP) of McEvily crack propagation, through the Taylor series retaining the second order term with Lagrange’s remainder. After to define the quotas, the MATLAB software is used to execute the implemented algorithms to quantify the uncertainty. The results generated in MATLAB are the estimates of the first and second statistical moments, as well as their deviations and the computational times between the quotas and the numerical solution RK4. These theoretical results are later presented and analyzed in the form of tables and graphs.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho foi analisado o efeito das tensões residuais compressivas, obtidas por shot peening, na resistência à fadiga de contato de rolamento de um ferro fundido nodular temperado. Esse material apresenta desempenho mecânico similar ao de alguns aços, com vantagens, como menor peso e custo. Porém, quando submetido à esforços de contato cíclicos, como na fadiga de contato de rolamento, apresenta menor vida que os aços. Formas de melhorar o desempenho desse material são importantes quando se deseja tornar viável seu uso para fabricação de peças sujeitas a esse tipo de falha. Diversos trabalhos relatam um aumento na vida em fadiga de contato de rolamento para alguns materiais, devido a presença de tensões residuais compressivas na superfície do componente. Entretanto, não existe uniformidade dos resultados relacionados ao uso de tensões residuais para esse fim. Para atender o objetivo proposto, utilizou-se a técnica de shot peening para criar um perfil de tensões residuais compressivas em amostras de ferro fundido nodular temperado. Este material foi obtido por meio de fundição contínua, com contagem de grafitas de 210 nod/mm², sendo posteriormente temperado e revenido, de modo que uma dureza de 607 ± 14 HV50 fosse alcançada. O valor dessas tensões foi medido através da técnica de difração de raios X, com remoção química de camadas. As amostras polidas foram submetidas a ensaios de fadiga do tipo esfera contra plano, em rolamento puro, e sua vida característica foi calculada utilizando a distribuição de probabilidade de Weibull de dois parâmetros. A carga de ensaio gerou uma pressão de contato de 2,2 GPa e foi escolhida considerando não apenas as propriedades do material, mas também o perfil de tensão residual gerado pelo shot peening. O que permitiu que o ponto de máxima tensão cisalhante estivesse localizado dentro do campo de tensões residuais compressivas. Para avaliar o efeito da presença das tensões residuais, um grupo de amostras temperadas e revenidas e sem shot peening também foi submetido ao ensaio. Observou-se que a presença de tensões residuais compressivas levou a uma queda de aproximadamente 47% na vida média das amostras. Através da análise fractográfica percebeu-se que as falhas iniciavam aproximadamente na região onde localizava-se a máxima tensão cisalhante, resultante do contato, para ambos os grupos analisados. O campo de tensões residuais não alterou o mecanismo de falha. Entretanto, a compressão causada pelo shot peening pode ter alterado as tensões principais resultantes do contato, o que pode ter causado a aceleração da nucleação e propagação das trincas. This work analyzes the effect of compressive residual stresses, obtained by shot peening, on rolling contact fatigue resistance of a quenched ductile cast iron. This material presents similar mechanical behavior when compared to some steels, but with the benefits of being cheaper and lighter. In the other hand, when subjected to cyclic contact loadings, it presents shorter fatigue life than steels. Means of improving the performance of ductile cast irons are important specially to make them feasible for the manufacturing of parts that might fail in this situation. Previous works showed improvement on contact rolling fatigue life for some materials due to the presence of compressive residual stresses on the surface of the components. However, there is no consistency of results about residual stresses for this application. To achieve the proposed objective, shot peening process was used to produce a compressive residual stresses profile on the surface of quenched ductile cast iron samples. This material was obtained from continuous casting process and presented graphite count of 210 nodules/mm2. Quenching and tempering reached a hardness value of 607 ± 14 HV50. Residual stresses were measured using X-ray diffraction and chemically clearance of layers. Contact fatigue tests were performed on polished samples with ball-on-flat mode and fatigue lives were calculated using two-parameter Weibull probability distribution. The testing load induce a 2.2 GPa contact pressure. This load was chosen, considering the material properties and ensuring that the maximum shear stress point was inside the compressive residual stresses region produced by shot peening. Another group of quenched and tempered samples which were not processed by shot peening was tested to compare the results. It was observed that the effect of compressive residual stresses on fatigue life of samples was reduced approximately 47%. Through fractography analysis, it was possible to notice that the fail started close to the maximum shear stress region in both conditions. The residual stresses profile did not modify the failure mode. However, the compression caused by the shot peening process could have modify the contact principal stresses, which resulted in a faster cracks nucleation and growth.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Este trabalho investiga os efeitos de microdefeitos na vida à fadiga no aço de baixo carbono SAE 1020. O programa experimental consistiu em um conjunto de ensaios uniaxiais de fadiga em amostras lisas e com quatro tipos de defeitos– defeito cilíndrico (0,42 x 0,42 x 0,42 mm), defeito cilíndrico (0,75 x 0,75 x 0,75 mm), defeito cilíndrico raso (0,75 x 0,75 x 0,20 mm) e defeito oblongo (0,84 x 0,42 x 0,42 mm) – afim de obter as curvas S-N, entre 103 a 106 ciclos, para cada caso. Como primeira abordagem, foi realizada simulação numérica em elementos finitos para uma análise elástica linear ao redor dos defeitos. Como base nos resultados obtidos nestas análises, observou-se que ao variar qualquer característica dos pequenos defeitos – tamanho, forma e profundidade – a vida à fadiga é afetada significativamente, mesmo mantendo a medida √area, que tem sido empregada para caracterizar a influência de pequenos defeito no contexto da resistência à fadiga. Defeitos de menor diâmetro (0,42 x 0,42 x 0,42) apresentaram menor influência, com redução na vida à fadiga 50% menor, quando comparados com defeitos maiores (0,75 x 0,75 x 0,75 mm). Dentre todos os casos analisados, os corpos de provas com defeitos rasos apresentaram a maior redução de vida à fadiga, variando entre 60% a 95% quando comparados aos corpos de provas lisos, tal resultado ocorreu possivelmente devido ao pequeno volume de material disponível para a distribuição de tensões em torno dos defeitos. Em geral, para vidas mais longas (105 ciclos), os efeitos dos microdefeitos são correspondentemente maiores, para todos os casos analisados. This work investigates the effects of small defects in the fatigue life on SAE 1020 low carbon steel. For this, the experimental program consisted in a set of uniaxial fatigue tests in smooth specimens and specimens with four types of defects - cylindrical defect (0.42 x 0.42 x 0.42mm), cylindrical defect (0.75 x 0.75 x 0.75 mm), cylindrical shallow defect (0.75 x 0.75 x 0.20 mm) and elliptical defect (0.84 x 0.42 x 0.42 mm)- in order to obtain S-N curves, in the range between 103 and 106 cycles. As a first approach, finite element numerical simulation was used for linear elastic analysis around the defects. Based on the results obtained in these analyzes, it was observed that when any small defect characteristics - size, shape and depth – changes, the fatigue life is significantly affected. Smaller defects (0.42 x 0.42 x 0.42 mm) - showed less influence, with 50% smaller reductions in fatigue life, when compared to larger defects (0.75 x 0.75 x 0.75 mm). Among all the analyzed cases, the specimens with shallow defects presented the greatest fatigue life reduction, between 60% to 95% when compared to smooth specimens, this result was possibly due to the small region for the distribution of stress around discontinuity. In general, for high lives (105 cycles), the effects of the small defects are correspondingly larger, for all analyzed cases.

Petróleo Brasileiro (Petrobrás) Os estudos envolvendo escoamento de fluidos não newtonianos em dutos ou canais total ou parcialmente porosos têm recebido considerável atenção devido à sua grande gama de aplicações de engenharia, como perfuração, produção e recuperação de reservatórios de petróleo e gás. No processo de perfuração a perda de circulação é um dos principais fenômenos que interferem na operação do poço. A presença de fraturas, frequentes no conjunto poço-formação, somadas aos gradientes de pressão, acentua significativamente a perda de fluido. No presente trabalho, o escoamento de fluido não newtoniano em canal parcialmente poroso e fraturado é investigado, caracterizando o fenômeno de perda de circulação. Os testes apresentados foram realizados em uma unidade experimental composta por uma seção de testes retangular, que representa o conjunto poço-formação na presença de uma fratura, utilizando medidores de pressão, vazão e temperatura para monitorar o escoamento. Foram utilizadas soluções aquosas de carbopol, goma xantana, carboximetilcelulose e glicerina como fluidos de trabalho e filtros cerâmicos de espuma reticulada para representar a formação rochosa. Com objetivo de avaliar a influência da variação de parâmetros do escoamento, do fluido e do meio poroso, foram variados o número de Reynolds do escoamento, a vazão de fuga pela fratura, a viscosidade do fluido, o fluido de trabalho e a abertura de células do meio poroso. Os resultados obtidos mostram que todos os parâmetros são capazes de alterar as configurações de pressão durante a perda de circulação, exercendo uma influência direta no gradiente de pressão gerado entre o canal e a fratura. Studies involving the flow of non-newtonian fluids into totally or partially porous ducts or channels have received considerable attention because of their wide range of engineering applications such as drilling, production and recovery of oil and gas reservoirs. In the drilling process the lost circulation is one of the main phenomena that interfere with the well operation. The presence of fractures, common in all well-formation, added to the pressure gradient, significantly enhances fluid loss. In the present work, the flow of non-newtonian fluid in a partially porous and fractured channel is investigated, characterizing the lost circulation phenomenon. The tests presented were performed in an experimental set-up, comprising a rectangular test section, representing a wellformation with a transverse fracture, instrumented with pressure gauges, flow and temperature monitors. Aqueous solutions of carbopol, xanthan gum, carboxymethyl cellulose and glycerin were used as working fluids and crosslinked foam ceramic filters to represent the rock formation. In order to evaluate the variation influence of parameters of the flow, fluid and porous medium, the Reynolds number of the flow, the flow rate at the fracture, the viscosity of the fluid, the working fluid and the cell opening of the porous medium were varied. The results show that all parameters are capable of altering the pressure settings during the lost circulation, exerting a direct influence on the pressure gradient generated between the channel and the fracture.

Submitted by Natasha Valladão (natashasilvaa4@gmail.com) on 2021-01-20T00:51:18Z No. of bitstreams: 1 AlexandreMiguelCalhauMartins-min.pdf: 4248030 bytes, checksum: 272c3ad935b998f5015da685d4312a8a (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-20T00:51:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlexandreMiguelCalhauMartins-min.pdf: 4248030 bytes, checksum: 272c3ad935b998f5015da685d4312a8a (MD5) Previous issue date: 2019-05 Neste trabalho foram avaliadas técnicas numéricas para o cálculo do parâmetro integral da mecânica da fratura elastoplástica em conexões flangeadas prétrincadas utilizando o método dos elementos finitos. Curvas de resistência ao crescimento de trinca foram avaliadas experimentalmente à temperatura ambiente (23°C) no material métalico AISI 4130, que é usado na fabricação das conexões flangeadas. A tenacidade à fratura foi avaliada também à temperatura negativa (-20°C e -40°C), onde foi possível obter valores de integral nos pontos de instabilidade. O crescimento da trinca foi avaliado pela técnica de descargas parciais em corpos de prova com geometria compacta de tração C(T). O trabalho forneceu bons resultados para abordagem via elementos finitos em conexões flangeadas pré-trincadas em dutos flexíveis sobre tração e pressão interna, permitindo uma análise de instabilidade através da análise de diagramas de força motriz para a propagação de trinca (CDFD). Permitiu ainda fazer uma análise do ponto de vista de colapso plástico da conexão como um todo, através da comparação das tensões aplicadas com os limites de resistência do material. In this study some numeric technics were evaluated for the calculation of elastoplastic fracture mechanics parameter integral on pre-cracked flanged connections using finite element analysis. Resistance curves to the crack propagation were evaluated experimentally at room temperature (23°C) in metallic material AISI 4130, that is used in the fabrication of flanged connections. The material toughness was also evaluated at low temperatures (-20°C and -40°C) and the integral values at the instability point was obtained. The crack length during the tests was evaluated trough the unloading compliance technique using compact-tension C(T) test specimens. This study provided good results by using finite element on pre-cracked flanged connections in flexible pipes under tension and internal pressure, allowing an instability analysis using Crack Driving Force Diagrams. In addition, it allowed plastic collapse analysis of the flanged connections by comparison of the stress level and the yield strength of the material.

Os resultados de um ensaio de fraturamento hidráulico de laboratório são analisados por modelos da elasticidade e da mecânica da fratura. Uma solução analítica para uma abertura circular em meio infinito com tensões in situ não hidrostáticas, uma carga interna e um modelo de elementos finitos do ensaio apresentam tensões de tração máximas que superam a resistência à tração do material. Estes dois modelos explicam a iniciação da fratura. Soluções de referência de mecânica da fratura e modelos de elementos finitos para representar o fraturamento no ensaio, quando comparados com tenacidade à fratura, explicam o processo de propagação da fratura. O conjunto dos modelos permite um melhor entendimento do processo da mecânica do fraturamento. As tensões in situ, a pressão interna do furo e a pressão na fratura possuem papeis distintos no referido processo.

Esta dissertação de mestrado apresenta a automatização da estratégia globallocal sob a abordagem do Método dos Elementos Finitos Generalizados, avaliando seu desempenho na simulação de problemas bidimensionais da Mecânica da Fratura Linear Elastica. O Método dos Elementos Finitos Generalizados é um método numérico estabelecido como alternativa ao Método dos Elementos Finitos, sendo particularmente eficaz na análise de problemas cuja solução não é suave. Propõe-se uma estratégia automatizada de construção de problemas locais, cujas soluções enriquecem a aproximação de um problema global único, tendo em vista a redução da interferência do usuário na simulação da propagação de trincas. A implementação computacional atuou na expansão do sistema INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), um projeto software livre desenvolvido no Departamento de Engenharia de Estruturas da Universidade Federal de Minas Gerais. Novos procedimentos foram incorporados ao sistema, viabilizando a construção automatizada de problemas locais capazes de acompanhar a trajetoria descrita ao longo do processo de crescimento de uma trinca. A implementação foi validada atraves da simulação numérica de problemas com solicitações e geometrias diversas, buscando a correta obtenção de fatores de intensidade de tensão nos modos I e II de abertura de trinca. O desempenho do método foi mensurado com base nos resultados obtidos em energia de deformação, fatores de intensidade de tensão e trajetoria de propagação da trinca. Foram consideradas as influências dos ciclos de análise global-local, enriquecimento polinomial e topologia da malha. Buscou-se, adicionalmente, avaliar o efeito da abordagem estavel do Metodo dos Elementos Finitos Generalizados sobre o enriquecimento obtido da solução numérica do problema local. This master's thesis presents the automation of the global-local strategy under the Generalized Finite Element Method approach, evaluating its performance in the analysis of two-dimensional problems of Linear Elastic Frature Mechanics. The Generalized Finite Element Method is a numerical method established as an alternative to the Finite Element Method (MEF), being particularly efective for problems with non-smooth solutions. An automated strategy for building local problems,whose solution enriches the approximation of an unique global problem, is proposed, aiming to reduce user interference in the simulation of crack propagation. The implementation is carried out as an expansion of the INSANE (INteractive Structural ANALYSIS Environment) system, a free software project developed in the Department of Structural Engineering of the Federal University of Minas Gerais. New procedures were incorporated into the system, making possible the defnitionof adaptive local problems, able to follow the path described during the process of crack growth. The implementation was validated by the numerical simulation of problems with diferent geometries and loadings, seeking the correct extraction of stress intensity factors for crack opening modes I and II. The method performance was measured based on the results in strain energy, stress intensity factors and crack path. Inuences of the global-local analysis cycles, polynomial enrichment and meshtopology were considered. Additionally, the efect of the Stable Generalized Finite Element Method approach on the enrichment obtained from the local problem solution is evaluated.

Aços inoxidáveis dúplex são fortes candidatos para aplicação em componentes e equipamentos para a indústria offshore devido as suas boas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. Entretanto, uma barreira para a ampliação do uso destes materiais consiste na fragilização por Hidrogênio, que pode, entre outras fontes, decorrer do uso de proteção catódica em estruturas submersas. Este fenômeno é de grande complexidade, uma vez que os mecanismos possuem uma forte dependência de uma série de parâmetros, assim como não há um único tipo de teste e uma propriedade capazes de caracterizar o comportamento do material. Então, a necessidade de extensa pesquisa, com testes de duração intrinsecamente longa gera uma dificuldade na qualificação destes materiais em mais aplicações, além de um severo conservadorismo nos projetos de engenharia. Este trabalho visa caracterizar o comportamento do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 protegido catodicamente sob um potencial de -1.100 mVECS, sob carregamento de fadiga, através de uma abordagem de mecânica da fratura. Foram realizados ensaios de taxa de propagação de trincas, levantando-se a curva da/dN x ΔK, de modo a ver o efeito da fragilização por Hidrogênio em diversos estágios da vida em fadiga. Foram realizados também ensaios a ΔK constante varrendo a frequência de aplicação de carga, o que caracteriza o tempo para difusão do Hidrogênio à frente da trinca. Os parâmetros desta análise, juntamente aos mecanismos de fratura observados em ensaio, proveem modelos matemáticos que permitem determinar condições para que o aço fragilize, assim como a frequência de ensaio das curvas da/dN x ΔK, que compreende um compromisso entre conservadorismo e tempo hábil de ensaio. Foi observado na varredura de frequência que a difusão passa a ser mais importante para maiores valores de ΔK, o que está associado a uma maior quantidade de Hidrogênio que se aloja na zona à frente da trinca. As curvas da/dN x ΔK também apontam que, para baixos níveis de ΔK e Kmax, não há efeito da fragilização, o que também é suportado pelos aspectos fractográficos observados. A fragilização nestes aços está associada à clivagem cíclica da ferrita, um mecanismo cuja ativação depende da concentração de Hidrogênio que chega à ponta da trinca e da tensão necessária para clivagem. Isto reflete no fato que, em proteção catódica, não há deterioração do desempenho do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 para baixos níveis de ΔK e Kmax. Duplex stainless steels are strong candidates to offshore and piping applications, given their good mechanical properties and corrosion resistance. However, a barrier to the expansion for the wider application of these materials consists of Hydrogen embrittlement provided by, among other sources, the use of cathodic protection on structures. This phenomenon is of great complexity, since the mechanisms depend strongly on a series of parameters, and there isn’t a single type of experiment capable of completely characterizing the material behavior. Therefore comes the need of extense research, with long duration tests, which causes difficulty on the qualification of these materials for more applications, along with the employ of more conservative designs on engineering projects. This work seeks to characterize the behavior of the superduplex stainless steel UNS S32750 while cathodically protected by a potential of -1.100 mVECS, under fatigue loading, using the fracture mechanics approach. Fatigue crack propagation rate test were performed, determining the da/dN x ΔK curve to compare the effect of Hydrogen embrittlement on various stages of fatigue life. Fatigue tests at constant ΔK were also performed scanning the load frequency, which describes the time for Hydrogen diffusion to the crack tip. The results from this analysis, along with the fracture mechanisms observed in the samples, provide mathematical models with data allowing them to predict conditions necessary for the steel to embrittle, as well as the appropriate frequency for the determination of the da/dN x ΔK curve, which involves a compromise between conservatism and test time. It was observed in the frequency scanning test that the diffusion has greater importance in high ΔK behavior, which is associated with a higher concentration of Hydrogen situated at the crack tip. The da/dN x ΔK curves point that for low levels of ΔK and Kmax, there is no effect from the embrittlement, which is also supported by the observed fractographic aspects. In these steels, the embrittlement is linked to the cyclic cleavage of ferrite, a mechanism dependant on the Hydrogen at the crack tip and the stress needed for cleavage to occur. This reflects on the fact that, under cathodic protection, there is no loss of performance of the superduplex stainless steel UNS S32750 for low levels of ΔK and Kmax

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-04-15T10:45:36Z No. of bitstreams: 1 DM_RuiBrito_2019_MEM.pdf: 8158976 bytes, checksum: 52ac46d10fbc99b1248c5e3c46386af2 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-04-15T10:46:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_RuiBrito_2019_MEM.pdf: 8158976 bytes, checksum: 52ac46d10fbc99b1248c5e3c46386af2 (MD5) Made available in DSpace on 2020-04-15T10:46:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_RuiBrito_2019_MEM.pdf: 8158976 bytes, checksum: 52ac46d10fbc99b1248c5e3c46386af2 (MD5) Previous issue date: 2019

Este trabalho apresenta o estudo de propagação de trinca na junta soldada de uma roda de caçambas que apresentou falha em campo após aproximadamente um ano de operação. Esta junta está localizada na transição entre o cubo do eixo de acionamento e a estrutura principal da roda de caçambas. Foram adotados os conceitos da Mecânica da Fratura Linear Elástica na análise. Os carregamentos resultantes do processo de escavação do material foram aplicados a um modelo de elementos finitos, a partir do qual se obtiveram as tensões atuantes na região fraturada. Alguns aspectos relacionados à junta soldada foram considerados na análise, tais como a ocorrência de tensões residuais na estrutura e o fator de amplificação do fator de intensidade de tensões devido à geometria da solda. Também foi levado em conta o fenômeno de fechamento de trinca, em função da presença de tensões compressivas no ciclo de carregamento. Devido à geometria peculiar da junta soldada, o fator de intensidade de tensões foi obtido de forma numérica para as trincas semielípticas e trincas passantes pela espessura consideradas, levando-se em conta a atuação de carregamentos de tração e de cisalhamento. A propagação foi avaliada tendo como direção preferencial tanto a profundidade quanto o comprimento da trinca, sendo adotada a equação de Walker (consideração do efeito da razão de tensões) para a determinação da taxa de propagação. Uma vida em fadiga coerente com a estimativa do número de ciclos até a falha da roda de caçambas foi obtida quando considerada a propagação de uma trinca preexistente na estrutura, em um campo de tensões residuais trativas através da espessura da chapa e ao longo do cordão de solda. Avaliou-se que a vida em fadiga com base em curvas S-N, para um detalhe de solda similar ao da junta soldada em estudo, foi superior ao número de ciclos estimado até a falha da roda de caçambas, indicando que algum defeito pode ter permanecido após a fabricação da roda e comprometido sua vida útil This work presents the study of crack propagation in the welded joint of a bucket wheel that failed in field after approximately one year of operation. This joint is located at the transition between the hub of the drive shaft and the main body of the bucket wheel. The concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics were adopted in the analysis. The loads resulting from the material excavation process were applied to a finite element model, from which the stresses in the fractured region were obtained. Some aspects related to the welded joint were considered in the analysis, such as the occurrence of residual stresses in the structure and the magnification factor of the stress intensity factor due to the weld geometry. The crack closure phenomenon was also considered, due to the presence of compressive stresses in the loading cycle. Due to the peculiar geometry of the welded joint, the stress intensity factor was numerically obtained for the semi-elliptical cracks and through-thickness cracks considered, taking into account tensile and shear loads. The propagation was evaluated with the preferential direction of both the depth and the length of the crack, using the Walker equation (consideration of the stress ratio effect) for determining the propagation rate. A fatigue life consistent with the estimation of the number of cycles until the failure of the bucket wheel was obtained when considering the propagation of a preexisting crack in the structure in a field of residual tensile stresses across the thickness of the plate and along the weld bead. It was evaluated that fatigue life based on SN curves, for a weld detail similar to the weld joint under study, was higher than the estimated number of cycles until the bucket wheel failure, indicating that some defect may have remained after manufacture of the wheel and compromised its useful life

O crescimento de fendas sob o efeito de fadiga é frequentemente observado em diversos componentes mecânicos, o que pode levar a falhas catastróficas. Com tal, é de elevada importância que o fenómeno da fadiga, sob carregamentos de modo I, modo II e/ou modo III, seja melhor compreendido. Esta tese teve como objetivo principal a determinação dos fatores de intensidade de tensão 𝐾𝐼, 𝐾𝐼𝐼 e 𝐾𝐼𝐼𝐼 para diferentes dimensões de fendas inseridas em provetes cilíndricos, em provetes Compact Tension (CT) ou em provetes CT modificados. Foi assumido um estado plano de tensão para os provetes prismáticos e ambos os provetes, quer cilíndricos quer prismáticos, foram sujeitos a carregamento torsional. Os provetes foram numericamente simulados assumindo um material isotrópico, homogéneo e linear elástico. Os resultados foram obtidos utilizando o Método dos Elementos Finitos, através do programa computacional ANSYS. A zona de plasticidade junto da frente da fenda foi considerada infinitesimal quando comparada com as dimensões do provete; como tal, as Leis da Mecânica da Fratura Linear-Elástica foram consideradas válidas. Durante as simulações numéricas foram utilizados elementos finitos tetraédricos e foram introduzidas fendas semielípticas nas zonas analisadas. A validação do funcionamento do programa computacional foi feita através da simulação de um varão contendo uma fenda superficial semielíptica, sujeito a carregamento de modo I; os resultados de 𝐾𝐼 calculados pela norma BS 7910 estavam em concordância com os obtidos numericamente.

The toughness response depends on the crack opening modes. Metals present different values of fracture toughness depending on the type of load acting ahead of the crack tip. Although there are 3 different types of loading modes, plus the combined modes, that cracks can be submitted, only mode I of loading (tensile) is standardized. One of the most widely used tests for obtaining the CTOD is the 3-point flexural test, which, even though it’s considered a mode I loading test, is in fact a mixed-mode I/II test since the 3-point bending configuration causes both tensile and shear stress. Several studies have shown that increasing the mode II component in mixed mode loading causes a reduction in the toughness value in steels. There is a worldwide interest in developing a standardized methodology to obtain the CTOD in mixed mode, since under real operating conditions the mechanical components are subjected to loading modes that don’t always corresponds to those performed in laboratory testing, making it necessary to define a scenario that better represents the service conditions. In this context, it is important to understand and quantify the shear effect in the mode I testing procedure already standardized for the development of a mixed mode test methodology. For this purpose, it was proposed to compare the results of CTOD obtained by symmetrical bending test at 3 and 4 points, since the latter only causes tensile load in the midsection of the test specimen, therefore representing a pure mode I testing. The obtained toughness values showed little difference between the tests performed and the reasons for such results were addressed. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A resposta de tenacidade depende dos modos de abertura da trinca. Metais apresentam valores diferentes de tenacidade à fratura dependendo do tipo de carga que atua à frente da ponta da trinca. Embora haja 3 tipos diferentes de carregamentos, mais os modos combinados, apenas o modo I de carregamento (abertura por tração) é normalizado. Um dos ensaios mais utilizados para a obtenção do CTOD é o ensaio de flexão em 3 pontos, que, mesmo sendo considerado um ensaio de modo I, é na verdade um ensaio de modo misto I/II visto que a configuração de ensaio em 3 pontos causa tanto tração quanto cisalhamento. Vários estudos mostram que o aumento da componente de modo II em carregamentos de modo misto, causa redução no valor da tenacidade em aços. Há um interesse mundial em se desenvolver uma metodologia padronizada para a obtenção do CTOD em modo misto, já que em condições de reais de operação os componentes mecânicos estão submetidos a carregamentos que nem sempre correspondem àquelas utilizadas em testes de laboratório, se fazendo necessária a definição de uma situação de carregamento que represente mais fielmente às condições de serviço. Neste contexto, é importante entender e quantificar o efeito do cisalhamento no ensaio de modo I já normalizado para o desenvolvimento de uma metodologia para ensaio de modo misto. Para tanto, foi proposta a comparação entre os resultados de CTOD obtidos via flexão simétrica em 3 e 4 pontos, visto que a última causa apenas carregamento de tração na seção central do corpo de prova, sendo, portanto, um ensaio de modo I puro. Os valores de tenacidade obtidos mostraram pouca diferença entre os ensaios e as razões para tais resultados foram abordados.

A soldagem ao arco submerso com elevado aporte térmico e mais de um arame tem sido usada para a união de chapas de grande espessura, visando a redução do número de passes e o consequente aumento da produtividade na indústria naval e de petróleo. Características favoráveis adicionais como penetração elevada e relativa facilidade de produção de soldas com bom acabamento e sem descontinuidades contribuem para que este processo seja largamente aplicado. Mas o uso de aportes térmicos muito elevados leva à formação de uma poça de fusão de grandes dimensões e grande volume de metal líquido, submetendo a região da solda a ciclos térmicos de longa duração com baixas velocidades de resfriamento. Isso favorece a formação de estruturas de solidificação grossas que, ao final do resfriamento, resulta em uma microestrutura constituída principalmente por ferrita primária com grande tamanho de grão e baixa resistência mecânica. O presente trabalho avaliou o crescimento de trincas por fadiga em metais de solda feitos com aportes térmicos superiores a 10kJ/mm. Foram feitas soldas de um único passe em um aço EH36 com 25mm de espessura variando a composição química do metal de adição. A microestrutura, propriedades mecânicas de tração, dureza foram medidas e curvas de crescimento de trincas por fadiga foram construídas considerando a propagação da trinca no sentido longitudinal à solda. Para todas as condições testadas, as taxas de propagação foram similares às do metal base na Região II. Contudo, as soldas apresentaram limiar de propagação das trincas superior ao do metal base e este limiar foi aumentado, para as soldas feitas com maior aporte térmico, pelo uso de um metal de adição contendo molibdênio. Isto foi atribuído à presença de uma maior quantidade de ferrita acicular nesta solda. The submerged arc welding (SAW) with high heat input and various wires has been used to weld thick plates in order to reduce the number of passes and consequent increase of productivity in the shipbuilding and oil industry. Additional characteristics of SAW such as high penetration and relative ease of producing welds with good finishing and without discontinuities contribute to this process being widely applied. However, the use of very high heat inputs leads to the formation of a large melting pool and large amount of liquid metal which submits the region of the weld to long-term thermal cycles with low cooling rates. This contributes to the formation of thick solidification structures and, at the end of the cooling, results in a microstructure consisting mainly of grain boundary ferrite with low mechanical strength and large grain size. This research evaluated the fatigue crack growth rates in welding metals made by high heat input SAW with cold wire. Single pass welds were made on a 25 mm thick TMCP EH36 steel varying the chemical composition of the wire and heat inputs from 10 kJ/mm. Microstructure, mechanical properties and da/dN x K graphics were constructed with the propagation of the crack in the longitudinal direction of the weld. For all tested conditions, propagation rates were similar to those of base metal in Paris Region. However, the welds presented a crack propagation threshold higher than base metal, and this threshold was increased for welds made with higher heat input by the use of a molybdenum-containing addition metal. This was attributed to content of a higher amount of acicular ferrite in weld.

Submitted by Daniele Fonseca (daniele@ct.ufrj.br) on 2020-08-07T12:37:08Z No. of bitstreams: 1 MarianaGeorgesMonteiroDeCarvalho-min.pdf: 9571709 bytes, checksum: 6389db85991658b4a61ba559c7e42610 (MD5) Made available in DSpace on 2020-08-07T12:37:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarianaGeorgesMonteiroDeCarvalho-min.pdf: 9571709 bytes, checksum: 6389db85991658b4a61ba559c7e42610 (MD5) Previous issue date: 2018-05 A conjugação de materiais com diferentes composições químicas, motivada pela necessidade de conjugar suas diversas propriedades, foram os fatores que levaram ao surgimento das juntas dissimilares. Juntas soldadas dissimilares vêm sendo amplamente estudadas pela indústria de óleo e gás, primeiramente pela sua larga aplicabilidade na fabricação de equipamentos submarinos, aliada ao fato de acidentes ocorridos recentemente estarem diretamente relacionados a falhas ocorridas nesse tipo de junta soldada. No presente trabalho, o desempenho de juntas dissimilares à fragilização por hidrogênio sob proteção catódica foi avaliado através de duas metodologias distintas: CTOD e BTD. As juntas estudadas são compostas pelos metais de base ASTM A182 grau F22 e API 5L grau X70 e o metal de solda Inconel 625. Seis diferentes condições de solda foram avaliadas, obtidas modificando-se o aporte térmico, tempo de tratamento térmico pós soldagem (TTPS) e processo de soldagem. Os resultados obtidos mostraram que a resistência à fragilização por hidrogênio está relacionada com a quantidade de regiões descontínuas (macrossegregações) presentes ao longo da interface dissimilar e ao tempo de alívio térmico. Também foram discutidos aspectos referentes às metodologias utilizadas para avaliar o desempenho dessas juntas à fragilização por hidrogênio. The conjugation of materials with different chemical compositions, motivated by the need to conjugate their different properties, were the factors that led to the emergence of dissimilar joints. Dissimilar welded joints have been extensively studied by the oil and gas industry, primarily due to their wide applicability in the manufacture of subsea equipment, together with the fact that recent accidents were directly related to failures in this type of welded joint. In the present work, the performance of dissimilar joints to hydrogen embrittlement under cathodic protection were evaluated through two different methodologies: CTOD and SSRT. The welded joints are composed of base metals ASTM A182 grade F22 and API 5L grade X70 and the filler metal used was Inconel 625. Six different welding conditions were evaluated by modifying the heat input, post-weld heat treatment time (PWHT) and welding process. The results showed that the resistance to hydrogen embrittlement is related to the number of discontinuous regions (macrossegregations) present along the dissimilar interface and to the time of PWHT. Some aspects related to the methodologies used to evaluate the performance of these welded joints under cathodic protection were also analyzed.

Como as recuperadoras de minério são extremamente solicitadas no processo de mineração, a sua manutenção tem custo elevado. Um modo de falha frequente, de acordo com os dados da manutenção, é a ocorrência de trincas que podem levar à fratura. Este problema vem sendo resolvido pela manutenção, através da soldagem das partes danificadas. A causa raiz da falha, no entanto, não vem sendo atacada, o que ocasiona pouca efetividade na resolução do problema. O objetivo deste trabalho é estudar a velocidade de propagação de trincas em fadiga do aço ASTM A572, material comumente utilizado para fabricação de caçambas de recuperadoras de minério. Para desenvolvimento do estudo, foi realizado ensaio não destrutível (ultrassom) para identificação e determinação do valor de crescimento de uma trinca, após N ciclos de trabalho conhecido, de uma caçamba em serviço. Em segundo momento, foram realizados ensaios de fadiga em laboratório. Os corpos de prova ensaiados foram fabricados com material extraído da própria caçamba em serviço. A partir dos dados e resultados dos ensaios de laboratório, foi possível determinar as equações e gráficos correpondentes a variação do tamanho da trinca (a) em função de número de ciclos (N) e velocidade de propagação da trinca (da/dN) versus variação do fator de concentração de tensões (ΔK). Os resultados obtidos nos ensaios de campo da caçamba em serviço foram comparados com o resultados do corpo de prova em laboratório e a diferença entre eles é perfeitamente aceitável e justificável. Devido à boa aproximação dos resultados, os parâmetros característicos de fadiga (C) e (m) obtidos para o material em questão podem ser utilizados para previsões de vida de um componente e estabelecer dados confiáveis que podem suportar o planejamento da manutenção e planejamento de suprimentos de materiais e serviços As reclaimers are extremely used in the mining process, their maintenance costs are high. A frequent failure mode, according to maintenance data, is the occurrence of cracks that can lead to fracture. This problem has been solved by maintenance by welding the damaged parts. The root cause of the failure, however, has not been attacked, which has caused little effectiveness in solving the problem. The objective of this work is to study the fatigue crack propagation velocity of ASTM A572 steel, a material commonly used to manufacture buckets of reclaimers. For the development of the study, a non-destructible test (ultrasound) was performed to identify and determine the growth value of a crack, after N cycles of known work, of a bucket in operation. At second moment, fatigue tests were performed in the laboratory. The test specimens were made of material extracted from the bucket in service. From the data and results of the laboratory tests it was possible to determine the equations and graphs correpondent to the crack size (a) versus number of cycles (N) and crack propagation velocity (da / dN) versus factor strêss concentration (ΔK). The results obtained in the in-service bucket tests were compared with the laboratory test results and the difference between them is perfectly acceptable and justifiable. Due to the good approximation of the results, the characteristic fatigue parameters (C) and (m) obtained for the studied material can be used for life predictions of parts and components of machines and establish reliable data that can support planning of the maintenance and planning of supplies of materials and services.

Submitted by Daniel Santos (danielbarbedo.teto@gmail.com) on 2018-02-05T17:19:02Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Barbedo versao final corrigida.pdf: 1964343 bytes, checksum: 65c0f4da238b8e1285dc35e992eb7432 (MD5) Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2018-02-06T10:18:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Barbedo versao final corrigida.pdf: 1964343 bytes, checksum: 65c0f4da238b8e1285dc35e992eb7432 (MD5) Made available in DSpace on 2018-02-06T10:18:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Barbedo versao final corrigida.pdf: 1964343 bytes, checksum: 65c0f4da238b8e1285dc35e992eb7432 (MD5) CAPES Esta dissertação tem como objetivo apresentar um embasamento teórico sobre a formulação de problemas de contato mecânico com atrito para sólidos tridimensionais utilizando o método da superfície B-Spline para a suavização de superfície. Este é baseado na mecânica do contínuo. Inicialmente é apresentada uma breve descrição dos tensores da mecânica do contínuo necessários à formulação, bem como as suas relações entre si. Parte-se então para a definição da formulação da mecânica dos sólidos utilizando a forma fraca, conhecida como o Princípio dos Trabalhos Virtuais, onde a equação de equilíbrio é obtida pela equação do balanço dos momentos, utilizando-se do modelo de equação de energia de um material Neo-Hookiano, com propriedades hiperelásticas. Descreve-se o processo de linearização das funções, necessário para a obtenção da matriz de rigidez em elementos finitos, e prossegue-se para a discretização em elementos finitos utilizando os elementos hexaédricos de oito nós. Para a solução numérica do problema de contato (com e sem atrito) é apresentado o método do Lagrangiano Aumentado. Em seguida é apresentada a formulação para contato nó-superfície. É importante mencionar que nas formulações padrões do contato mecânico, as superfícies de contato são discretizadas por elementos planos, o que resulta na descontinuidade do vetor normal entre as superfícies adjacentes. Neste tipo de abordagem, para que seja possível o deslizamento do nó escravo entre uma superfície mestre e outra adjacente, existe a necessidade de utilizar três tipos de formulações para o contato mecânico, i.e., contato nó-superfície, nó-seguimento e nó-nó. O objetivo desta dissertação é utilizar uma superfície curva e suave, criada a partir da superfície mestre original, que represente as superfícies de contato. Com isto, a direção da normal passa a ser contínua, sendo necessária apenas a formulação do contato com atrito nó-superfície. As superfícies de contato são suavizadas pela superfície B-Spline. Por este motivo, é apresentada a descrição do método da construção da superfície B-Spline para tornar a superfície de contato uma superfície única e suave, eliminando assim, a necessidade da formulação do contato nó-aresta e nó-nó. Ao final do trabalho, são apresentados exemplos numéricos para evidenciar a eficiência e o desempenho da formulação proposta. This dissertation has as objective to show theoretical background about contact mechanical problems with friction for tridimensional solids, using the B-Spline surface algorithm for surface smoothing. This is based on continuum mechanics. At first, a short descrition of continuum mechanics is presented, as it is the basis for the posterior solid element and contact B-Spline formulation. In a second moment, the virtual work principle in its weak form is shown, where the equilibrium equation is obtained through the balance of momentum, utilizing the energy density equation of a Neo-Hookean hyperelastic material. Afterwards, the linearization process is presented, which is necessary for obtaining the finite element stiffness matrix and, finally, the finite element discretization for the 8 node hexaedrical element is shown. At first a short description of continuum mechanics tensors necessary to the formulation is shown, as well as their relations between themselves. Then the definition for the weak form of solid mechanics, the virtual work principle is shown, where the equilibrium equation is obtained through the balance of momentum, utilizing the energy equation of a Neo-hookean material, with hiperelastic properties. The linearization process is presented, which is necessary for obtaining the finite element stiffness matrix, and then the finite element discretization for the 8 node hexaedrical element is shown. Regarding the numerical solution for the contact problem (with and without friction), the Augmented Lagrangean method is presented. Afterwards, the formulation for node-surface contact is shown. In the standard mechanical contact formulations, the contact surfaces are discretized by adjacent planes, resulting in discontinuity of the normal vector between adjacent surfaces. In the classical approach, to allow the sliding of a slave node over multiple master surfaces, three different contact mechanical formulations are needed, i.e., node-surfarce, node-segment and node-node contact. This work’s objective is to compose a curve and smooth surface to represent the master surface, utilizing the B-Spline surface algorithm. Achieving that, the normal vector direction is continuous, with only the node-surface contact formulation being necessary. The contact surfaces are discretized with a B-Spline surface, and for that reason, the B-Spline curve construction method is shown. At the end of the work, numerical examples are shown to evidence the efficiency and performance of the proposed solution.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. À medida que os polímeros ganham novas aplicações que requerem maior integridade estrutural, surge a necessidade de formular modelos capazes de descrever com precisão seu comportamento e prever a falha sob carregamentos mecânicos. Neste contexto, este trabalho elabora um modelo fenomenológico capaz de descrever o comportamento de polímeros termoplásticos semicristalinos isotrópicos até sua fratura. Estruturado na descrição Lagrangiana total e na cinemática de grandes deformações, a aproximação da dependência à taxa de deformação é dada pelo modelo de Perzyna e as relações constitutivas são escritas em termos da medida de deformação de Hencky e da tensão rotacionada de Kirchhoff. Além disso, baseado na termodinâmica do contínuo estendida apresentada por Frémond e Nedjar (1996), desenvolveu-se um modelo de fratura introduzindo o dano não local com características derivadas aos modelos phase field. A solução dos campos de deslocamento e dano é obtida por um método semi-implícito. De forma a contabilizar a dependência hidrostática, característica dos polímeros isotrópicos, usou-se de um critério de escoamento macroscópico desenvolvido por Raghava e Caddell (1973). Por fim, para melhor caracterizar a deformação volumétrica inelástica, propôs-se um potencial de dissipação distinto da função de escoamento, caracterizando o modelo como não associativo. Por outro lado, ressalta-se que o modelo foi desenvolvido pensando na sua aplicabilidade para uma grande variedade de materiais; sua versatilidade é oriunda dos princípios da termodinâmica de processos irreversíveis, utilizando uma função de encruamento flexível conveniente a diferentes modelos. Ademais, das escolhas de parâmetros que podem reduzir a função de escoamento de Raghava e transformá-la na clássica Von Mises, bem como, tornar o modelo associativo e, se desejável, elastoplástico. Em vista disso, além de prever satisfatoriamente o comportamento dos polímeros, este modelo é apropriado para aproximar o comportamento de uma série de materiais pertencentes a classe de Standard Generalized Materials. Abstract : As polymers expand into new applications that require greater structural integrity, rises the need to formulate models capable of accurately describe their response and predict failure under mechanical loading. In this context, this paper addresses a phenomenological model to describe the behavior of isotropic semi-crystalline thermoplastic polymers up to fracture. Structured in the total Lagrangian approach and the kinematics of large deformations, the model approximation is given by the Perzyna s elastoviscoplastic model, and the constitutive relations are given in terms of Hencky strain measure and the rotated Kirchhoff stress. Furthermore, the fracture model is based on the extended thermodynamics of the continuum medium, presented by Frémond e Nedjar (1996), which derives a nonlocal damage model and is related to phase-field modeling. A staggered scheme is used to obtain the solution of the displacement and damage fields. Also, a macroscopic yield criterion developed by Raghava e Caddell (1973) accounts for the hydrostatic dependence, which is very characteristic of the isotropic polymers. In addition, a non-associative dissipation potential was proposed to better characterize the inelastic volumetric strain. On the other hand, one emphasizes that the model was developed considering its applicability for a great variety of materials, its versatility derives from the principles of the irreversible thermodynamics, the property of a changeable hardening function to adapt to different models and, in addition, the choice of parameters that can convert Raghava s yield function into the classical Von Mises, as well as transform the model to associative and elastoplastic, if desirable. Hence, this model not only adequately predicts the behavior of polymers but also of a series of materials that belong to the class of Standard Generalized Materials.

Orientadores: Renato Pavanello, Pablo Siqueira Meirelles Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Reparos colados representam uma opção eficiente e de baixo custo para restauração da resistência perdida e para a minimização dos efeitos devidos a danos em estruturas metálicas. Reparos fabricados em materiais compósitos têm sido utilizados com sucesso no restauro estrutural de aeronaves e navios. Projetos bem sucedidos de reparos colados dependem do conhecimento preciso das tensões induzidas pela presença do reparo. As distribuições de tensão podem ser obtidas através de expressões analíticas ou através de métodos numéricos, como o método dos elementos finitos (FEM), por exemplo. Expressões analíticas são, geralmente, mais simples de usar, porém não geometrias e materiais mais simples. O FEM é adequado para geometrias e leis de materiais complexas, porém necessita de malhas em conformidade com as descontinuidades e refinadas no entorno das singularidades. Análises de reparos colados através do FEM, normalmente requerem malhas tri-dimensionais refinadas no entorno de trincas, regiões sob corrosão e na fina camada de adesivo, demandando trabalho significativo para a preparação do modelo. Esse trabalho apresenta uma nova metodologia baseada na teoria do XFEM, que permite a representação de uma trinca genérica, de uma região corroída, de uma camada de adesivo e de uma camada de reparo de material ortotrópico na malha bi-dimensional do substrato intacto. A posição e as dimensões de trincas, dos contornos de regiões corroídas e da camada de reparo ortotrópico são totalmente independentes da representação da malha do substrato na condição intacta. Assim, como são as espessuras das camadas de adesivo e de reparo ortotrópico. Dessa forma, não é necessário retrabalhar a malha intacta para representar os defeitos ou o reparo colado. O trabalho se baseia no regime elástico de materiais isotrópicos para as camadas de substrato e de adesivo e de materiais ortotrópicos para a camada do reparo. Uma chapa metálica bi-dimensional quadrilateral com dimensões finitas contendo diversas configurações de trincas e de regiões corroídas, de espessura de adesivo e de geometrias e posição de reparos ortotrópicos será investigada na presente abordagem. Para chapas trincadas, o desempenho dos reparos será avaliado em termos da constante de intensidade de tensões ($K_I$). Para chapas corroídas, a constante de concentração de tensões ($k_t$) será utilizada Abstract: Bonded repairs represent an efficient and cost-effective option to restore lost strength and minimize damage effects on metallic structures. Composite patches have been successfully used for structural repairs in aircrafts and ships. Successful bonded repair designs strongly depends on knowing the stresses induced by the presence of the patch in the substrate. Stress fields may be obtained either by analytical formulations or by numerical methods, like the finite element method (FEM). Analytical expressions are, generally, simpler to use, but are limited to simple geometries and material laws. FEM is suited for complex geometries and materials laws, but requires meshes conforming to discontinuities, high refinement near singularities and near high gradient areas. Analysis of bonded patches, using the standard FEM, normally requires refined three-dimensional meshes, therefore signficant amount of work in the model setup phase is demanded. This work presents a new mehodology based on the XFEM theory, that allows the representation of a generic crack, a corroded area, an adhesive layer, and a bonded patch repair in the two-dimensional mesh of the intact substrate. Crack size and position, shape and thickness of the patch, and adhesive layer thickness may be represented independently of the mesh. Re-meshing to represent variations in crack size and position, patch dimensions and position, and adhesive thickness is not necessary. A finite dimension two-dimensional metalic isotropic plate with several geometric configurations of cracks, lower thickess areas,ortotropic bonded patches is investigated to prove eficacy of this approach. For cracked plates, the results for unrepaired and repaired plates are compared in terms of the stress intensification factor. For corroded platres, the stress intensification constant ($k_t$) will be used Doutorado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

A determinação de forma confiável das propriedades mecânicas dos materiais é um fator fundamental para a aplicação dos mesmos em engenharia, e a estimativa da incerteza de medição pelos laboratórios de ensaio impacta diretamente na interpretação do resultado. O Guia para a Expressão da Incerteza de Medição (GUM) é um documento que estabelece os critérios para o cálculo e a expressão da incerteza de medição, considerando as diferentes influências de cada parâmetro que compõe o valor da incerteza. Porém, a literatura recente demonstra que o GUM possui limitações, especialmente nos casos em que o modelo matemático de medição possui elevado grau de não linearidade e devido a pressupostos assumidos em relação à distribuição de probabilidade final. Nesses casos, recomenda-se que a incerteza de medição seja determinada através do Método de Monte Carlo (MMC), que considera a propagação da distribuição ao invés da propagação das incertezas. Assim, dadas as vantagens do MMC, e considerando a importância de se estimar a incerteza de medição de ensaios, esse trabalho tem como objetivo principal implementar o cálculo da incerteza para o ensaio de tenacidade à fratura KIC de materiais metálicos através do Método de Monte Carlo. Além disso, uma análise da influência da distribuição de probabilidade nos resultados de incerteza de medição foi realizada, através de um projeto de experimentos. Os resultados do trabalho demonstram a importância do uso do Método de Monte Carlo para a estimativa da incerteza de medição de ensaios e confirmam que a forma da distribuição de probabilidade possui influência significativa nos valores de incerteza de medição obtidos para o ensaio de tenacidade à fratura KIC. A reliable determination of mechanical properties of materials is fundamental for their application in engineering, and an estimation of measurement uncertainty by testing laboratories has a direct impact on the interpretation of the results. The Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) is a document that establishes the criteria for the calculation and expression of measurement uncertainty, considering how different influences of each parameter make up the uncertainty value. However, recent literature has demonstrated that GUM has limitations, especially in those cases where the mathematical measurement model has a high degree of non-linearity and due to assumptions considered in the final probability distribution. In such cases, it is recommended that measurement uncertainty is estimated using the Monte Carlo Method (MCM), which considers the propagation of distributions approach instead of propagation of uncertainties. Thus, given the advantages of MCM, and considering the importance of the estimation of testing measurement uncertainty, this work aims to implement uncertainty calculation for the KIC fracture toughness testing of metallic materials by the Monte Carlo Method. In addition, an analysis of the influence of the probability distribution in the final uncertainty results was performed through design of experiments. Results have confirmed the importance of the Monte Carlo Method for an appropriate estimation of the measurement uncertainty of mechanical tests and also confirm the probability distribution has a significant influence in the measurement uncertainty values of fracture toughness KIC.

CAPES O estudo de um componente estrutural, é mais realístico quando se admite que o componente já possua trincas. A área que estuda este fenômeno é a mecânica da fratura. O componente que possui trinca e é submetido a esforços cíclicos, tende a falhar por fadiga. Este estudo apresenta cotas que “envelopam” a solução numérica aproximada da evolução da trinca. São estimados momentos estatísticos das cotas superior e inferior, afim de se obter resultados mais realísticos com relação a propagação da trinca, visto a existência de incerteza sobre os parâmetros dos modelos de evolução da trinca. As cotas são determinadas via metodologia Fast Crack Bounds, sendo está comparada com a solução numérica aproximada obtida pelo método de Runge-Kutta de quarta ordem. A randomização dos parâmetros do modelo, é executada através de Simulação de Monte Carlo. Para a quantificação da incerteza, da cota superior, inferior e da solução numérica, são considerados exemplos “clássicos” da mecânica da fratura, onde a função de correção do fator de intensidade de tensão é conhecida: placa com largura infinita, placa com largura finita e trinca central e placa com largura finita e trinca na aresta. O trabalho apresenta os desvios relativos do primeiro e segundo momento estatístico, bem como os ganhos computacionais na resolução do problema de valor inicial que descrevem a propagação da trinca. Em todos os casos analisados, a metodologia Fast Crack Bounds apresentou menor tempo computacional, quando comparada à solução numérica do problema, sendo no mínimo 411,23% mais eficaz para o parâmetro a0 , até 8.296,29% para o parâmetro KC . The study of a structural component is more realistic when it is admitted that the component already has cracks. The area that studies this phenomenon is the fracture mechanics. The component which is cracked and subjected to cyclic stresses tends to fail due to fatigue. This study presents upper and lower bounds that "envelop" the approximate numerical solution of the evolution of the crack. The statistical moments of the upper and lower bounds are estimated, to obtain more realistic results in relation to the crack propagation, considering the existence of uncertainty about the parameters of the evolution models of the crack. Upper and lower bounds are determined using the Fast Crack Bounds methodology, being compared to the approximate numerical solution obtained by the fourth-order RungeKutta method. The randomization of the model parameters and execution through the Monte Carlo Simulation. For the quantification of the uncertainty, the upper and lower bounds and the numerical solution, "classic" examples of fracture mechanics are considered, where the correction function of the tensile strength factor is known: Infinite width plate, finite width plate a centered crack and finite width plate a bordercracked. The work presents the relative deviations of the first and second statistical moments, as well as the computational gains in solving the initial value problem that describe the propagation of the crack. In all cases analyzed, the Fast Crack Bounds methodology presented lower computational time when compared to the numerical solution of the problem, being at least 411.23% more effective for the parameter a0 , up to 8,296.29% for the parameter KC .

Submitted by Christianne Fontes de Andrade (cfontes@ct.ufrj.br) on 2018-12-17T15:41:03Z No. of bitstreams: 1 868086.pdf: 2427886 bytes, checksum: e6b5ef62787bfff031c750b06b62c8f6 (MD5) Made available in DSpace on 2018-12-17T15:41:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 868086.pdf: 2427886 bytes, checksum: e6b5ef62787bfff031c750b06b62c8f6 (MD5) Previous issue date: 2017-09 Dutos flexíveis são estruturas compostas por camadas metálicas e poliméricas, que propiciam resistência e estanqueidade sem comprometer a necessária flexibilidade em operação. Dentre as camadas desses dutos, a carcaça intertravada e a armadura de pressão são as principais responsáveis por resistir a cargas radiais, tais como a pressão hidrostática. A análise do colapso hidrostático desses dutos por meio de modelos sólidos tridimensionais baseados no Método de Elementos Finitos (MEF) demanda grande esforço computacional, dada, entre outras razões, a complexidade das seções transversais da carcaça intertravada e da armadura de pressão. Nesse trabalho, desenvolve-se uma abordagem alternativa baseada em seções retangulares com propriedades mecânicas equivalentes obtidas pela generalização da resposta de um modelo numérico baseado no MEF através de regressão simbólica. Utilizando essa abordagem, são propostas expressões para o cálculo da pressão de colapso de dutos flexíveis com anulares seco ou alagado. Os resultados mostraram excelente correlação com os obtidos em testes experimentais utilizados para verificação. Flexible pipes are structures composed of metallic and polymeric layers that allow resistance and sealing without compromise the flexibility needed to its operation. Among its layers, the interlocked carcass and the pressure armor are responsible for resisting to radial loads such as the hydrostatic pressure. The structural analyses of those pipes performed by a tridimensional solid model based on the Finite Element Method (FEM) demands a big computational effort due, to among others reasons, the complexity of it cross section. In this work it is developed an alternative approach based on rectangular cross sections with equivalent mechanical properties obtained by the generalization of the response of a numerical model based on FEM through symbolic regression. Using this approach, expressions are proposed to obtain the response of the flexible pipe when subjected to crushing loads and to calculate the collapse pressure with dry and flooded annulus. The results showed an excellent correlation with the experiments used for validation.

Recentes trabalhos propõem a utilização dos ensaios de indentação (nanoindentação) como uma ferramenta capaz avaliar características (nanoindentação) como uma ferramenta capaz de avaliar características mecânicas filmes finos, assim possíveis falhas em sistemas que mecânicas de filmes finos, assim como avaliar possíveis falhas em sistemas que conjugam alta dureza com substratos metálicos aço serviço, conjugam filmes de alta dureza com substratos metálicos de aço em serviço, em solicitações tribológicas. Entretanto, implementação da técnica solicitações tribológicas. Entretanto, a implementação da técnica de indentação para avaliação do comportamento destes e os seus resultados, para a avaliação do comportamento destes sistemas e os seus resultados, continuam ocasionando dúvidas no meio científico. Em função destas incertezas continuam ocasionando dúvidas no meio científico. Em função destas incertezas na análise ensaio indentação, o uso numérica na análise do ensaio de indentação, o uso de uma ferramenta numérica capaz campos tensões deformações durante ciclo de avaliar os campos de tensões e de deformações durante o ciclo de identificando áreas críticas através mecânica indentação, identificando possíveis áreas críticas através da mecânica da fratura, pode auxiliar interpretação mais segura deste ensaio. Este fratura, pode auxiliar em uma interpretação mais segura deste ensaio. Este trabalho tem proposta utilizar Método Elementos Finitos MEF) trabalho tem como proposta utilizar o Método dos Elementos Finitos (MEF) em conjunto Modelo Delaminação Bimodularidade conjunto com o Modelo de Delaminação e o Modelo de Bimodularidade para simular um filme CrAlN, possui simular ensaios de indentação em um filme de CrAlN, que possui uma alta aplicabilidade devido suas propriedades, analisar nucleação crescimento aplicabilidade devido a suas propriedades, e analisar a nucleação e crescimento trincas, podem ocorrer esses ensaios. Por fim, padrões de trincas, que podem ocorrer durante esses ensaios. Por fim, os padrões de surgimento trincas observados neste foram surgimento e crescimento de trincas observados neste trabalho foram comparados obtidos por outros modelos apresentados literatura comparados com os obtidos por outros modelos apresentados na literatura especializada. Também se concluiu concomitante dois modelosse especializada. Também se concluiu que o uso concomitante dos dois modelosse mostrou boa estudo nos mostrou uma boa ferramenta para o estudo de falhas nos ensaios de indentação finos. em filmes finos. Recent publications propose the use of indentation testing (nanoindentation) as a tool to evaluate thin film’s mechanical properties, and (nanoindentation) as a tool to evaluate thin film’s mechanical properties, and possible failures in systems that unite high hardness film tribological evaluate possible failures in systems that unite high hardness film (tribological coating) metallic substrates steel, solicitations. However, coating) and metallic substrates of steel, in tribological solicitations. However, the implementation technique for evaluation these implementation of the indentation technique for the evaluation of these systems its results still brings on doubts scientific environment. Due and its results still brings on doubts to the scientific environment. Due to the around tests, numerical able analyze doubts around the indentation tests, the use of a numerical tool able to analyze stress displacement field during cycle, identifying the stress and displacement field during the indentation cycle, identifying possible critical areas using fracture mechanics may help give safer interpretation critical areas using the fracture mechanics may help to give a safer interpretation this test. This work’s proposal is Finite Elements Method FEM) of this test. This work’s proposal is to use the Finite Elements Method (FEM) combined with Delamination Model Cracking Strain simulate combined with Delamination Model and Cracking Strain Model to simulate cycles CrAlN film, has big applicability due indentation cycles on a CrAlN film, a film that has a big applicability due to its crack nucleation growth, which occur properties, and analyze crack nucleation and growth, which may occur during cycles. Finally, patterns growth presented work these cycles. Finally, the patterns of nucleation and growth presented in this work were compared others models specialized literature. Also were compared with others models presented on the specialized literature. Also concluded both together was good study concluded that the use of both models together was a good tool to the study of cracks films. cracks during indentation testing in thin films.

The present study is focused on mechanical properties that result from cold rolling and aging treatments applied to TiNbSn alloys comprising different Nb (35% and 42%) and Sn (0% and 2.5%) contents. The alloys were arc melted, homogenized, solubilized, cold rolled and aged at 400 °C for different aging times. A set of characterization tests performed, included microstructural analysis, X-ray diffraction, microhardness, tensile tests, toughness (J) and fracture analysis. The alloys contained all three beta, α” and omega phases after cold rolling, regardless of the alloying content. The solid solution effect led to changes in the alloys’ mechanical behavior. Furthermore, the alloys presented alpha phase precipitation, and it led to a peak-aged stage after different aging times due to the Nb content. The alloys containing 42% and 35% Nb content reached the peakaged stage within 48 and 72 h, respectively. The α phase precipitation in the alloys at peak-aged stage increased the hardness, tensile strength and elastic modulus of the alloys; however, it also caused ductility and toughness decrease. The fine dispersed precipitates of the alpha phase generated small and shallow dimples, which are a characteristic fracture micromechanism of peak-aged alloys. O presente estudo está focado em propriedades mecânicas resultantes de tratamentos de laminação a frio e envelhecimento aplicados a ligas de TiNbSn compreendendo diferentes conteúdos Nb (35% e 42%) e Sn (0% e 2,5%). As ligas foram fundidas a arco, homogeneizadas, solubilizadas, laminadas a frio e envelhecidas a 400°C durante diferentes tempos de envelhecimento. Um conjunto de ensaios de caracterizações, incluindo análise microestrutural, DRX, ensaios de tração, tenacidade (J) e análise de fraturas. As ligas apresentaram as mesmas fases beta, α" e ômega após laminação a frio, independentemente do teor de liga. O efeito da solução sólida levou a mudanças nas propriedades mecânicas. Além disso, as ligas apresentaram precipitação em fase alfa e conduziram a um estágio de pico após diferentes tempos de envelhecimento devido ao teor de Nb. As ligas contendo teor de Nb de 42% e 35% atingiram o ponto de pico de envelhecimento dentro de 48 e 72 horas, respectivamente. A precipitação da fase alfa nas ligas no ponto de pico aumentaram a dureza, a resistência à tração e o módulo de elasticidade das ligas. No entanto, também causou diminuição da ductilidade e da tenacidade. Os precipitados finos dispersos da fase alfa geraram microcavidades pequenos e pouco profundos, que são micromecanismos característicos de fratura de ligas de ponto máximo de envelhecimento.

O Método dos Elementos Finitos (MEF) tem sido amplamente utilizado para a modelagem numérica de problemas estruturais/mecânicos. O uso de programas baseados em MEF foi grandemente facilitado com o desenvolvimento pré e pós-processadores ricos em recursos grácos interativos, permitindo aos usuários com conhecimento básico de geometria trabalhar facilmente com eles. No entanto, a modelagem de campos descontínuos com uma aproximação de elementos nitos padrão apresenta desaos como restrições na malha de elementos nitos para alinhar com a descontinuidade e a necessidade de remalhar á medida que a descontinuidade evolui. O MEF generalizado ou estendido (MEFG/X) foi proposto como um método numérico para resolver alguns desses desaos. O método MEFG/X enriquece localmente as funções de forma padrão de elementos nitos com funções de enriquecimento que se baseiam na física associada ao problema.O objetivo desta tese é a modelagem de fratura em estruturas de paredes nas, especicamente estruturas Placas, estendendo as capacidades disponíveis do método MEFG/X implementado no ambiente INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment), uma plataforma computacional desenvolvida no Departamento de Engenharia de Estruturas (DEEs) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), totalmente implementada utilizando programação orientada a objetos. Uma versao esta´vel do MEFG/X é implementada para se ter sistemas de equações bem condicionados. Em seguida, a estratégia de propagação de ssuras é aplicada a problemas de tensão/deformação plana e de placas de ReissnerMindlin, usando o MEFG/X clássico e na versão global-local. Todas essas implementações são explicados em detalhes e a robustez e precisão são examinadas pela resolução de vários problemas estruturais Finite Element Method (FEM) has been widely used for the numerical modeling of structural/mechanical problems. Use of computer-based FEM programs was greatly facilitated with the development of pre- and post-processors rich interactive graphics capabilities, allowing users with basic knowledge of geometry to easily work with them. However, modeling of discontinuous elds with a standard nite element approximation presents challenges like restrictions on the nite element mesh to align with the discontinuity and the need for remeshing as the discontinuity evolves. The generalized or extended FEM (G/XFEM) was proposed as a numerical method to solve some of these challenges. TheG/XFEM method enriches the standard nite element shape functions locally with enrichment functions which are based on the physics associated with the problem. The goal of this thesis is to fracture modeling in thin-walled structure, specically Plate structures, by extending the available capabilities of the G/XFEM method implementedin INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment) in-house code, a computational environment developed by the Department of Structural Engineering (DEEs) at the Federal University of Minas Gerais (UFMG), which has been implemented using Object Oriented Programming (OOP). A stable version of G/XFEM is implemented to have a well-conditioning systems of equations. Then, the crack propagation strategy is applied to plane stress/strain and Reissner-Mindlin problems using classical and two-scale G/XFEM. These whole implementationsand design are explained in detail and their robustnesses and accuracies are examined by solving various structural problems

Submitted by Christianne Fontes de Andrade (cfontes@ct.ufrj.br) on 2019-01-28T17:25:51Z No. of bitstreams: 1 866803.pdf: 4005046 bytes, checksum: 69e2aecf0ccf4d3e5a2072f970a0ea28 (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-28T17:25:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 866803.pdf: 4005046 bytes, checksum: 69e2aecf0ccf4d3e5a2072f970a0ea28 (MD5) Previous issue date: 2017-08 A eficiência da produção em reservatórios não convencionais, com baixa permeabilidade, demanda técnicas de perfuração de poços horizontais e fraturamento hidráulico (FH) de múltiplos estágios. As mudanças no campo de tensões, conhecidas como “stress shadowing” afetam significativamente o arranjo das fraturas e suas geometrias. Nesta tese, para apresentar uma técnica numérica capaz de capturar a propagação de trincas com caminhos imprevisíveis e enfrentar a viabilidade de emergência de múltiplas fraturas coesivas em meio poroso com zona de processo de fratura na ponta da trinca, é estabelecido o método dos segmentos coesivos combinado com o método do nó fantasma, cuja sigla em inglês é CNPM. O arcabouço numérico é implementado em um pacote para o método dos elementos finitos (ABAQUS) por meio de rotinas definidas pelo usuário. Considerando um xisto de múltiplas camadas quase friável, dois cenários com FH sequencial e simultâneo com poço único são investigados. A validação da técnica numérica foi feita comparando a solução para uma fratura com a solução de Khristianovic-Geertsma-de Klerk (KGD) e fraturas duplas na presença de “stress shadowing”. Depois disso, a análise foi estendida para dois poços laterais. Nesta parte, a maior contribuição é a investigação detalhada do efeito da alteração no campo de tensões como função do espaçamento das fraturas nos diversos projetos de FH em poços laterais adjacentes. Atenção particular é dada a projeto MZF com o objetivo de mitigar efeitos colaterais do “stress shadowing”, melhorando a complexidade das fraturas, levando à modificação do projeto MZF, sendo este denominado M2ZF. Os resultados obtidos iluminam as vantagens do MZF, e em particular do M2ZF, na ativação de planos de fragilidade pré-existentes e fraturas naturais pelo efeito das mudanças no campo de tensões. Production efficiency from low permeable unconventional reservoirs demands promoting techniques including horizontal well drilling and multi-stage Hydraulic Fracturing (HF) stimulation. What significantly affects the fractures arrangement, and associated geometries is the stress field changes, referred to as “stress shadowing”. In this dissertation, in order to present a numerical technique, which is capable of capturing the non-planar hydraulically driven crack propagation with unpredictable path, on one hand, and tackling the feasible emergence of multiple cohesive cracks in a porous medium with fracture process zone at the crack tip, on the other hand, the Cohesive segments method in combination with Phantom Node Method, termed CPNM, is established. This numerical framework is implemented into a finite element analysis package (ABAQUS) along with user-defined subroutines. Considering a quasi-brittle multi-layer shale, two key scenarios including sequentially and simultaneously multi-stage HF from an individual wellbore are investigated. Validation of the numerical technique has been performed by comparing the solution for an individual fracture with a Khristianovic-Geertsma-de Klerk (KGD) solution and double fractures in the presence of stress shadowing. Afterwards, the analysis is extended to two lateral horizontal wellbores. The main contribution of this part is the detailed investigation of the stress shadowing effects as a function of the fracture spacing at various HF design in adjacent lateral wellbores. A particular attention is devoted to MZF design with the aim of mitigating side-effects of stress shadowing and enhancing the far-field fracture complexity, leading to introducing a modification to MZF design, termed M2ZF. The results obtained are shedding light on the advantages of the MZF and in particular M2ZF in the activation of pre-existing planes of weakness and natural fractures through stress shadowing effects.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Titanium alloys are used for several applications of greater responsibility, for example in the biomedical, aeronautical, energy, security, among others sectors. Several studies have shown that TiNbSn alloys have advantages compared to other titanium alloys with respect to mechanical properties. Studies indicate a possibility of obtaining a tensile strength value as high as that of alloys traditionally used as Ti6Al4V, through cold deformation and aging. In addition, cold deformed TiNbSn alloys may have modulus of elasticity less than half the modulus presented by traditional alloys. These indications point to the possibility of intensifying the production and commercialization of TiNbSn alloys for the manufacture of highly responsible components. Therefore, for these applications, studies on the crack propagation behavior are important and even mandatory in certain circumstances, for example for the manufacture of components that may suffer catastrophic failures. The purpose of this study was to evaluate the fatigue crack propagation behavior of TiNbSn alloys system cold deformed and aged. In this study, the cold-rolled Ti35Nb2Sn, Ti42Nb2Sn and Ti42Nb alloys were produced with 80% true deformation and aged at 400 ° C for 48 hours. da/dN x ΔK tests were carried out and it was observed that the Ti422 and Ti420 alloys, both aged, had the best results of crack propagation resistance in the Paris regime and in the crack propagation threshold. That is, the increase of Niobium and the aging treatment produces alloy of greater crack propagation resistance. These results were attributed to the great cracks tortuosity. This tortuosity leads to a greater roughness induced crack closure effect. The threshold values increased with the aging process due to the increase in the modulus of elasticity values. Ligas de titânio são utilizadas para várias aplicações de maior responsabilidade, como por exemplo, nos setores biomédico, aeronáutico, energia, segurança, entre outros. Diversos estudos vem demonstrando que as ligas TiNbSn apresentam vantagens se comparadas a outras ligas de titânio com respeito a propriedades mecânicas. Estudos indicam a possibilidade de obter valor de resistência a tração tão elevado quanto de ligas tradicionalmente usadas como Ti6Al4V, através de deformação a frio e envelhecimento. Além disso, as ligas TiNbSn deformadas a frio podem apresentar módulo de elasticidade inferior a metade do módulo apresentado por ligas tradicionais. Esses indícios apontam para a possibilidade de intensificar a produção e comercialização de ligas TiNbSn para a fabricação de componentes de alta responsabilidade. Portanto, para essas aplicações, estudos sobre o comportamento de propagação de trincas são importantes e até mandatórios em certas circunstâncias, como por exemplo para a fabricação de componenetes que possam sofrer falhas catastróficas. O objetivo do presente estudo foi avaliar o comportamento de propagação de trincas por fadiga das ligas do sistema TiNbSn deformadas a frio e envelhecidas. Neste estudo, foram produzidas as ligas Ti35Nb2Sn, Ti42Nb2Sn e Ti42Nb laminadas a frio com 80% de deformação verdadeira e envelhecidas a 400 °C por 48 horas. Ensaios da/dN x ΔK foram realizados e foi visto que as ligas Ti422 e Ti420, ambas envelhecidas, apresentaram os melhores resultados de resistência à propagação de trincas no regime de Paris e no limiar de propogação de trinca. Ou seja, o aumento de Nióbio e o tratamento de envelhecimento produzem liga de maior resitência a propagação de trinca. Esses resultados foram atribuídos à grande tortuosidade das trincas. Essa tortuosidade leva a um maior efeito de fechamento de trinca induzido pela rugosidade da fratura. Os valores de limiar aumentaram com o processo de envelhecimento devido ao aumento dos valores de módulo de elasticidade.

Mestrado em Engenharia Mecânica As ligações coladas estão a ter utilização crescente em aplicações estruturais devido às vantagens que têm relativamente a formas tradicionais de ligação, como as ligações aparafusadas e rebitadas. Todavia, subsistem incertezas acerca do comportamento das ligações coladas, que por isso continuam a ser objeto de vários trabalhos de investigação. Esta dissertação incidiu sobre o comportamento à fratura em modo I de ligações de substratos de aço colados com adesivo epóxido. O objetivo principal foi desenvolver e avaliar uma nova forma de aplicação da correlação digital de imagem à monitorização da propagação da fenda no ensaio Double Cantilever Beam (DCB). A técnica proposta baseia-se na medição das extensões nos substratos e, potencialmente, permite a caraterização mais completa e rigorosa do comportamento à fratura. Apesar de coerentes, os resultados obtidos foram afetados pelo ruído nas medições da correlação digital de imagem. São, portanto, necessários melhoramentos na técnica proposta, alguns dos quais foram já identificados e deverão reduzir significativamente os referidos níveis de ruído. Adhesive joints are finding increasing structural applications, because of their advantages over traditional joining methods e.g. bolted and riveted joints. However, uncertainties remain about the behavior of adhesive joints, which thus continue to be the subject of considerable research. This dissertation studied the mode I fracture behavior of steel substrates bonded by an epoxy adhesive. The main objective was to develop and assess a new form of applying the digital image correlation to crack propagation monitoring in Double Cantilever Beam (DCB) tests. The technique proposed is based on substrate strain measurements and has the potential of enabling a more complete and accurate characterization of the fracture behavior. Despite being coherent, the results obtained were affected by noise levels in digital image correlation measurements. Improvements are therefore needed to the technique proposed, some of which were already identified and should reduce significantly the aforementioned noise.

Os ensaios mecânicos são mundialmente empregados para caracterização e implementação de diversos materiais. Dentre a vasta gama de ensaios existentes, o ensaio de impacto convencional é consagrado no meio científico, industrial e na indústria do óleo e gás onde a sua função básica é determinar a energia total absorvida na fratura de um corpo-de-prova entalhado conforme as recomendações da norma ASTM E23. Entretanto, a energia global absorvida possui um valor de uso muito limitado e ela normalmente não é aceita como um indicador quantitativo da resistência à fratura do material. Assim, com a utilização de uma máquina de ensaios de impacto instrumentada, torna-se possível a aquisição de um maior número de informações obtidas através de um ensaio de impacto clássico, como por exemplo, o estudo detalhado da integridade estrutural de materiais utilizados na fabricação de dutos. Desta maneira, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a tenacidade de um duto de aço API 5L X70 sem costura, com 11 polegadas de diâmetro externo e ½ polegada de parede, frente a uma falha dinâmica, através da tenacidade a fratura, comparando carregamento estático com dinâmico através dos resultados de J0,2 e Jm. Entretanto a tenacidade a fratura é consideravelmente afetada para altas taxas de deformação, com redução de aproximadamente 30% nas amostras com orientação de entalhe X-Y (defeito lateral passante) e de aproximadamente 40% nas amostras com orientação de entalhe X-Z (defeito superficial), demostrados através do JΔinit. Mechanical testing are worldwide employed for materials characterization and implementation. Among the large group of the existing tests, the conventional impact test has been used for industry and academic fields, especially oil and gas engineering in order to evaluate the energy absorbed of a notched sample, according to the ASTM E23 standard. However, the energy absorbed has a limited use and is not usually accepted as a quantitative indicator of the fracture thougness. Thus, by using an instrumented impact test, there will be an increasing in the amount of information obtained than the traditional impact test and, thefore, a detailed study of the structural integrity of materials can be carried out for manufacturing of pipes. Hence, this study aims to characterize a pipe steel API 5L X70 seamless, with 11 inches outside diameter and ½ inche of wall, against dynamic failure through fracture toughness, comparing static loading with dynamic through the results of J0,2 and Jm. However, fracture toughness is considerably affected at high deformation rates, with a reduction of approximately 30% in X-Y notch (through thickness defect) and approximately 40% in X-Z notch (surface defect) samples, demonstrated for JΔinit.

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2018-05-29T15:30:55Z No. of bitstreams: 1 DM_FilipeNunes_2017_MEM.pdf: 8674740 bytes, checksum: a701ad3ff564103eec0ab3c403e97005 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2018-05-29T15:31:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_FilipeNunes_2017_MEM.pdf: 8674740 bytes, checksum: a701ad3ff564103eec0ab3c403e97005 (MD5) Made available in DSpace on 2018-05-29T15:31:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_FilipeNunes_2017_MEM.pdf: 8674740 bytes, checksum: a701ad3ff564103eec0ab3c403e97005 (MD5) Previous issue date: 2017

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2018-09-28T14:08:31Z No. of bitstreams: 1 DM_JoseRibeiro_2017_MEM.pdf: 10421741 bytes, checksum: 843bbff2b42162e83f2eb68f0384012e (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2018-09-28T14:09:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_JoseRibeiro_2017_MEM.pdf: 10421741 bytes, checksum: 843bbff2b42162e83f2eb68f0384012e (MD5) Made available in DSpace on 2018-09-28T14:09:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_JoseRibeiro_2017_MEM.pdf: 10421741 bytes, checksum: 843bbff2b42162e83f2eb68f0384012e (MD5) Previous issue date: 2017

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais A fragilização por hidrogênio tem sido um problema constante em diferentes setores da indústria. Por ser o menor átomo existente, o hidrogênio difunde-se na microestrutura dos materiais metálicos, inserindo tensões mecânicas internas que podem, eventualmente, levar a uma falha catastrófica. Atualmente, os métodos mais comuns existentes para analisar este fenômeno são lentos e caros, configurando-se assim a necessidade de desenvolver um método de ensaio que não possua tais desvantagens. No presente trabalho, apresenta-se o desenvolvimento de um equipamento cuja função é avaliar de forma rápida a susceptibilidade à fragilização por hidrogênio (SFH) dos materiais metálicos através de ensaios de carregamento progressivo em meio assistido (RSL). Este equipamento apresenta uma grande vantagem em relação aos outros métodos avaliação da SFH, que é o menor tempo de ensaio para se ter resultados representativos. Na presente dissertação foram realizadas a concepção, projeto, simulação em elementos finitos, construção e validação do equipamento. Sua validação foi realizada ensaiando-se uma amostra sem entalhe,cuja tensão mecânica medida foi comparada com aquela retornada pelo software do RSL. Além disso, foi calculada a incerteza de medição relacionada ao cálculo da tensão mecânica na amostra. Os ensaios de verificação do desempenho do RSL foram realizados em amostras de aço AISI 4140 beneficiado com dureza de 40HRC, onde foi avaliada a relação entre o nível de potencial catódico aplicado e a SFH do material das amostras. Os resultados obtidos na validação do equipamento mostraram erros inferiores a 1%. Os resultados mostraram um aumento da SFH com o aumento da dureza indicando que há uma elevada sensibilidade da SFH em relação à dureza da amostra. Os ensaios com variação do potencial catódico mostraram uma relação direta entre esse parâmetro e a SFH da amostra, havendo uma saturação na SFH a partir de -1,1 VAg/AgCl. Hydrogen embrittlement of metallic materials has been a frequent problem in different industry sectors. Because it is the smallest existing atom, hydrogen diffuses into the microstructure of metallic materials, resulting in internal mechanical stresses that may eventually lead to a catastrophic failure. The most common methods available to analyze this phenomenon are time consuming and expensive. For this reason, it is desired to develop a test method that does not have such disadvantages. In this work it is presented the development of an equipment to rapidly evaluate the susceptibility to hydrogen embrittlement (SHE) of the metallic materials using the rising step load (RSL) bend testing in assisted environment. This equipment has a great advantage over the other evaluation methods of SHE, which is the shortest test time to have representative results. The validation of the infrastructure was performed by testing bars without notches to, whose measured mechanical stress was compared with that returned by the RSL software. In addition, the measurement uncertainty related to the calculation of the mechanical stress in the sample was calculated. The tests to verify the performance of the RSL equipment were carried out on samples of steel AISI 4140 heat treated to a hardness of 40HRC. The effect of the cathodic potential applied to notched bars of AISI 4140 on the SHE was evaluated. The results obtained in the validation phase of the equipment showed errors lower than 1%. The results showed also an increase in SHE with increasing material hardness indicating that there is a high sensitivity to the SHE with respect to the hardness of the sample. The tests carried out using cathodic potential variation showed a direct relationship between this parameter and the SHE of the sample, with saturation of the SHE at -1.1 VAg/AgCl. Dissertação (Mestrado)

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:13:30Z No. of bitstreams: 1 Matheus Costa Ximenes.pdf: 9063194 bytes, checksum: 91abf0333645cd7ae541f4f441e9f5a2 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:13:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Matheus Costa Ximenes.pdf: 9063194 bytes, checksum: 91abf0333645cd7ae541f4f441e9f5a2 (MD5) Previous issue date: 2016-10-26 This dissertation has the objective of study the fracture toughness calculation models in ceramics of high hardness, from data obtained with the test Vickers and Knoop hardness. The Vickers and Knoop hardness tests are techniques used to evaluate the surface hardness from the penetration of a pyramidal indenter square base in Vickers method and lozenge base in Knoop method. For the evaluation of high hardness materials, such as special ceramics, these techniques are the most appropriate and complementary. In carrying out such assays in high hardness materials it is common the occurrence of surface cracks resulting from the indentation of the indenter on the surface of the material. The occurrence of this phenomenon can allow the evaluation of mechanical properties of these special materials such as tensile strength limit and fracture toughness. In this study were presented measurements performed on cracks of sintered boron carbide samples, evaluating highlighted fracture toughness property for using mathematical models, formulated based on fracture mechanics, for example, Gong. From measurements taken after the indentation test was possible to calculate fracture toughness values, allowing the development of a methodology of using these tests. A presente dissertação tem como objetivo o estudo dos modelos de cálculo da tenacidade à fratura em cerâmicas de elevada dureza, a partir de dados obtidos com o ensaio de microdureza Vickers e Knoop. Os ensaios de dureza Vickers e Knoop são técnicas utilizadas para avaliação da dureza superficial a partir da penetração de uma indentação piramidal de base quadrada no método Vickers e base losangular no método Knoop. Para a avaliação de materiais de elevada dureza, como as cerâmicas especiais, estas técnicas são as mais adequadas e são complementares. Na realização desses ensaios em materiais de altíssima dureza é comum a ocorrência de trincas superficiais resultantes da indentação do penetrador sobre a superfície do material. A ocorrência desse fenômeno pode permitir a avaliação de propriedades mecânicas desses materiais especiais, como limite de resistência e tenacidade à fratura. Para a realização deste estudo foram apresentadas medidas realizadas nas trincas das amostras de carbeto de boro sinterizado, avaliando em destaque a propriedade tenacidade à fratura através de modelos matemáticos, formulados com base na mecânica da fratura, como por exemplo, o de Gong. A partir de medidas realizadas após o ensaio de indentação foi possível o cálculo de valores de tenacidade à fratura, permitindo o desenvolvimento de uma metodologia de utilização destes ensaios.

Trinca por fadiga é um dos principais problemas em componentes mecânicos ou estruturas metálicas. Neste trabalho são analisadas as trincas por fadiga em uma das vigas responsáveis pelo movimento de translação de um forno de reaquecimento de tarugos a fim de subsidiar os planos de inspeção e de manutenção. O estudo é baseado na mecânica da fratura, aplicando-se os conceitos da propagação de trincas em componentes mecânicos sujeitos à fadiga. A metodologia empregada consiste na estratégia de análise global-local, para o cálculo da propagação de trinca e a avaliação da vida em fadiga, realizada em três etapas. A primeira delas corresponde à análise linear elástica global da viga, sem a presença de trinca, utilizando o método de elementos finitos (MEF) através do programa SOLIDWORKS. Essa etapa determina as regiões críticas, em termos de solicitação, onde há maior probabilidade de ocorrências de trincas. Na segunda etapa, são inseridas duas trincas distintas no modelo global obtido na primeira etapa. A posição da trinca é definida pela realidade dos defeitos observados na viga de translação, o que faz com que a simulação do modelo tridimensional seja o mais próximo da realidade. Desses modelos com trincas, obtêm-se os deslocamentos para os carregamentos máximo e mínimo. Por fim, a terceira etapa corresponde à modelagem utilizando o método de elementos de contorno (MEC) para análise de trincas em corpos tridimensionais, através do programa FRANC3D. Os deslocamentos encontrados na segunda etapa aplicam-se como condições de contorno nos modelos locais criados no FRANC3D. Os resultados desta terceira etapa podem ser utilizados para refinar a análise global da segunda etapa, num processo de refinamento sucessivo de análises. Apresentam-se os resultados de uma chapa tracionada semelhante ao modelo proposto por BORGES (2010). Observou-se que os valores obtidos nos métodos numéricos foram semelhantes aos obtidos através dos fundamentos da mecânica da fratura, demonstrando a validação da metodologia proposta. Os modelos locais com a presença de trincas distintas, para uma chapa extraída da viga de translação e para um trecho da viga de translação, sujeitos a um carregamento cíclico, mostraram-se viáveis para a estimativa da propagação de trincas em componentes mecânicos com base na fundamentação da Mecânica da Fratura. Para o cálculo da vida em fadiga estabelecidos na norma NBR-8800, os resultados obtidos são coerentes em comparação com os resultados obtidos aos dos modelos locais. Fatigue crack is one of main problems in mechanical components and metallic structures. In this work fatigue cracks are analyzed in one of beams that is in charge of translation movement of the billet inside the reheating furnace, in order to support the plans of inspection and maintenance. The study is based on fracture mechanics, applying concepts about crack propagation on mechanical components submitted to fatigue. The methodology consists in the global-local analysis strategy to calculate the crack propagation and the life under fatigue which was divided in three steps. The first one corresponds to the global linear elastic analysis of the beam, considering absence of cracks, using the numerical finite elements method (FEM) by SOLIDWORKS software. This step enables the establishment of critical regions considering the work to be done and, therefore, most susceptible to cracks. In the second step, two different cracks are inserted in the global model obtained in the first step. Crack position is defined by the reality of the failures observed in the translation beam, this enables the threedimensional simulation model to be closer to reality. From these models, displacements are obtained from maximum and minimum loads. At the end, the third step corresponds to the modeling using boundary element method (BEM) to analyze cracks in three-dimensional bodies, applying FRANC3D software. The displacements found in the second step are applied as contour conditions in the local models created on FRANC3D. Results of this third step can be used to refine global analysis of the second step, in a continuous process of refining analysis. Results of a tensioned plate are presented, similarly to the model proposed by BORGES (2010). It was observed that the values obtained with numerical methods were similar to the ones obtained using the fundamentals of fracture mechanics, validating the proposed methodology. The local models, presenting different cracks, of a plate taken from the translation beam and of a piece of the translation beam, exposed to a cyclic loading, have proven feasible to estimate crack propagation on mechanical components, based on fundamentals of fracture mechanics. In order to calculate the life under fatigue defined by NBR-8800, the results obtained are consistent when compared to the results coming from the local models.

Neste trabalho é estudada a vida por fadiga de uma viga de rolamento do galpão de uma Aciaria com mais de 30 anos de operação. A pesquisa bibliográfica indicou que falhas mais recorrentes nestas estruturas ocorrem por fadiga em juntas soldadas, portanto foi realizadauma abordagem inicial segundo a norma AASHTO que aplica o método S-N para cálculo da vida remanescente da estrutura. A tensão alternada nas condições de carregamento mais severas foi obtida através de simulação numérica no software ANSYS. Baseado no histórico eem previsões de produção, a vida de cada junta soldada foi determinada. Para calibrar o modelo, foi realizado um teste de campo com extensômetros para determinação das tensões reais durante a operação normal da planta. Nessa etapa, a carga da ponte rolante foiparametrizada no modelo computacional e variada até obter-se a simulação do comportamento real da estrutura. A análise apontou os pontos mais críticos orientando uma inspeção visual que identificou trincas que poderiam levar ao colapso da viga. O crescimento das trincas identificadas foi simulado através do software FRANC2D que utiliza o método da mecânica da fratura para determinação do fator de intensidade de tensão. Os valore calculados foram utilizados para determinar a vida por fadiga para crescimento da trinca até um comprimento crítico que pode levar a uma fratura frágil. A interpretação dos resultados mostra que o método S-N associado à análise por elementos finitos se mostrou uma técnica eficiente para determinação das juntas mais críticas da estrutura reduzindo significativamenteo trabalho de inspeção. A aplicação da mecânica da fratura linear elástica levou a resultados mais conservadores. Esta técnica permite que equipes de manutenção possam estabelecer intervalos de inspeção e determinar o melhor momento para reparo de trincas existentes baseado na vida remanescente calculada. This study examines the fatigue life of a Melt Shop crane girder with over 30 years of operation. Research indicates that the most frequent failures in these structures is related to fatigue in welded joints, thus an initial approach was performed according to AASHTO standard for calculating the remaining fatigue life of the structure. The alternating stress at themost severe loading conditions was obtained by numerical simulation in ANSYS software. Based on history and production forecasts, each critical welded joint fatigue life was determined. To calibrate the model, it was performed a field test with strain gages t determinate the real stress variation during plant regular operation. At this stage, crane load was parameterized in the computational model and varied to simulate the real behavior of the structure under the measured stresses. The analysis pointed out the most critical points which guided a visual inspection that identified cracks that could lead to a structural collapse. Identified cracks growth was simulated through FRANC2D software that applies the LEFMmethod to determine the stress intensity factor. The calculated values were used to reach fatigue life for crack growth from an initial to a critical value that is expected to lead to a brittle fracture. It was concluded that the S-N method associated with finite element analysis has proven an efficient technique for determining the most critical structure joints damage reducing inspection work significantly. The application of linear elastic fracture mechanics techniques reached more conservative results. This technique can assist maintenance crew in determining inspection intervals and the best moment for intervention to repair existent cracks based in their calculated remaining life.