Mecânica da fratura
Fraturas e trincas são falhas conhecidas desde que o ser humano passou a construir e desenvolver produtos. Para entender esses fenômenos, foram introduzidos conceitos e parâmetros importantes anos atrás, como a taxa de liberação de energia (G) desenvolvida pelo engenheiro aeronáutico Griffith, no início do século 20.
Entretanto, apenas após a 2ª Guerra Mundial, passou-se a entender melhor porque os materiais falham, como prevenir as falhas e deste modo foi estabelecida a área que estuda esses processos mecânicos, chamada de Mecânica da Fratura.
Falha de estrutura devido à fratura
Segundo Anderson (Anderson, T.L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, 3rd. Edition, 1991), define-se Mecânica da Fratura como uma disciplina de engenharia que quantifica as condições sob as quais um corpo carregado pode falhar, devido ao crescimento de uma trinca dominante contida neste corpo.
Falha devida a carga cíclica
A mecânica da fratura pode ser usada em projetos de componentes e estruturas, na seleção de materiais, no desenvolvimento de novos materiais e na determinação da criticidade de defeitos.
Uma das causas da ocorrência de falhas vem de métodos, processos e materiais inovadores. Nem sempre é possível conhecer todos os aspectos da adoção de uma inovação, o que pode levar à falha.
Podemos usar como exemplo disso a substituição do processo de rebitagem para união de chapas pelo processo de soldagem na construção naval para a construção dos navios da classe Liberty. Porém, nem todos os efeitos e influências na resistência dos navios do processo de soldagem foram levados em conta (baixa qualidade da solda, fragilização do material, concentração de tensão, tenacidade do material).
O novo processo era inovador e a construção de navios tornou-se muito mais rápida. Outro ponto de destaque foi a evidente economia de material. Porém, esta mudança apresentou um resultado negativo: cerca de 20 navios quebraram ao meio.
Navio da classe Liberty fraturado
Os estudos e pesquisas de engenheiros e cientistas como Griffith, Irwin do NRL (Naval Research Laboratory), Wells, Rice, Paul Paris, entre outros, resultaram em modelagem e conhecimento do processo que leva a fratura do material quando submetido a carregamento, seja estático ou dinâmico, e em parâmetros que auxiliam os engenheiros de produtos a avaliar a criticidade de um defeito, como uma trinca, e entender o comportamento da mesma, permanecendo estável ou com a possibilidade dela crescer, e como e de que forma será o crescimento.
Métodos Numéricos x Mecânica da Fratura
Muitos dos parâmetros quantificáveis da mecânica da fratura são obtidos por métodos numéricos. Essas soluções analíticas são aplicáveis a casos bastante idealizados, de geometria e distribuição de esforços simples.
Métodos numéricos, como o método de elementos finitos, mostraram-se mais adequados para tratar problemas com geometria e condições de contorno genéricas.
O software Ansys de elementos finitos tem implementado recursos para calcular e quantificar parâmetros da mecânica da fratura. Entre eles a taxa de liberação de energia G, os fatores de intensificação de tensões KI, KII , KIII e a integral J. Mais recentemente métodos como XFEM (eXtended Finite Element Method) foram implementados.
Em poucas palavras, o método dos elementos finitos estendidos (XFEM) é um método numérico para a aproximação de soluções que envolvam saltos (jumps), dobras (kinks), singularidades, descontinuidades ou partes (em um domínio maior) que exibam grandes gradientes nas quantidades de interesse medidas. Podem-se considerar aplicações típicas: a simulação de trincas, bandas de cisalhamento, discordâncias, problemas multifásicos e interação fluido-estrutura.
No método clássico de elementos finitos (FEM), o domínio é geralmente contínuo e o método depende da construção de malhas. Descontinuidades como trincas, considerando o FEM, demandam alterações nas malhas (inclusive durante o processamento) e esforço adicional do analista.
No método XFEM, descontinuidades tais como saltos e dobras dentro dos elementos são levados em conta e tratados com precisão ótima sem a necessidade de alteração de malha (remeshing, por exemplo). O tratamento das descontinuidades é feito pelo enriquecimento do espaço aproximado (a malha de elementos finitos) do FEM clássico. Este enriquecimento (dos graus de liberdade no modelo) implica em uso de funções de deslocamento que levam em conta os “saltos” na região de descontinuidade (trinca). Como resultado do XFEM, verifica-se como a trinca irá progredir.
No vídeo abaixo é apresentado um exemplo que mostra o crescimento da trinca:
Os métodos numéricos têm sido bastante relevantes para estudar o comportamento de estruturas constituídas de materiais compósitos, em especial plásticos reforçados com diferentes fibras, nas indústrias aeronáutica, esportiva, energia eólica, de Oil & Gas, entre outras.
Estes novos materiais demandam um esforço da comunidade científica e industrial para entender os mecanismos que levam à falha. Algumas das metodologias especificas para o estudo de falha em materiais compósitos, tais como Virtual Crack Closing Technique (VCCT) e Cohesive Zone Modeling (CZM), já estão implementadas no software ANSYS.
De fato, muitos recursos associados à Mecânica da Fratura, há anos disponíveis no ANSYS APDL (clássico), foram implementados no ANSYS Workbench Mechanical, permitindo ao analista realizar modelagens e configurações de forma rápida e automatizada de trincas. Também permite, visualizar respostas a partir de recursos gráficos que auxiliam a analisar a região de interesse.
Trinca arbitrária configurada automaticamente no ANSYS Workbench Mechanical 17
Menus dedicados a configuração de trincas e método XFEM (via ACT – ANSYS Customization Tool) no ANSYS Workbench Mechanical 17
Modelagem aplicada ao estudo da Fratura nas Indústrias
Indústrias como a aeroespacial, a naval, a nuclear, a de turbinas, de equipamentos e tubulações para a exploração de gás e petróleo (Oil & Gas), e muitas outras, têm investido em pesquisa dedicada a mecânica de fratura e usam ferramentas de cálculo e análise como o ANSYS Workbench.
Essas indústrias utilizam os métodos numéricos para analisar diferentes aspectos de projetos. Um exemplo disso é a análise de durabilidade e tolerância ao dano (D&DT), que são críticos no desenvolvimento de diversos componentes da indústria aeronáutica, onde a busca por veículos mais leves, eficientes e seguros é constante. Nesses caso a mecânica da fratura é disciplina e ferramenta fundamental!
Diversas ferramentas e recursos para cálculo dedicados a Mecânica da Fratura foram e continuam a ser implementadas no software ANSYS, e estão a disposição dos usuários e empresas que delas necessitam.
Quer conhecer essas ferramentas e como elas podem auxiliá-lo a desenvolver produtos e equipamentos mais seguros e eficientes? Entre em contato com um dos nossos consultores e entenda os benefícios dessas ferramentas.
