A ocorrência de falhas de materiais estruturais na Engenharia é um evento indesejável por inúmeras razões. Felizmente, os avanços tecnológicos, em particular na área da Mecânica da Fratura, têm auxiliado na compreensão e caracterização das falhas estruturais e, certamente, na prevenção das mesmas. Por outro lado, a utilização de metodologias numéricas que abordam o problema da fratura em materiais estruturais tem se tornado cada vez mais freqüente. Isto é devido a complexidades geométricas, das condições iniciais e de contorno que tornam impossível a resolução analítica desses tipos de problemas. Apesar da determinação numérica de fatores de intensidade de tensão ser uma forma racional para a resolução de problemas mais complexos, a correta incorporação de aspectos mecânicos e fenomenológicos inerentes à fratura é um fator chave para o sucesso e eficácia de tais metodologias preditivas aplicáveis à análise numérica da integridade mecânica dos componentes estruturais em estudo. O objetivo deste trabalho foi avaliar o fator de intensidade de tensões crítico (KIC) através de simulações computacionais de dois ensaios convencionais de mecânica fratura. Este estudo abordou duas metodologias bastante difundidas, o método da correlação dos deslocamentos nodais e a integral-J.

Os modelos propostos foram analisados numericamente através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Para isso, foram utilizados dois softwares comerciais, o Ansys-ED®, que avalia KIC através do método da correlação dos deslocamentos nodais e o Marc™, que estima o valor da integral-J. A fim de se representar adequadamente o campo de tensões, elementos planos isoparamétricos de oito nós foram utilizados na geração da malha. Respeitando os requisitos da norma ASTM E-399, os ensaios foram estudados bidimensionalmente no estado plano de deformações. Para a modelagem da singularidade na ponta da trinca, teve-se um cuidado especial de modo a se obter uma boa representação do campo de tensões e de deformações. Com estes modelos numéricos, além de se avaliar os valores de KIC, foi possível fazer um estudo comparativo entre o comportamento dos campos de tensões e deformações na ponta da trinca nos dois softwares, comparando seus resultados com os obtidos analiticamente pelas equações da mecânica da fratura linear elástica (ASTM E-399).

Os resultados numéricos apresentaram valores de KIC com erro inferior a 3,2% em relação aos dados experimentais encontrados na literatura. As análises mostraram que o método de avaliação de KIC através da integral J apresentou resultados mais precisos do que através da correlação dos deslocamentos nodais. Ainda assim, ambas as metodologias forneceram bons resultados numéricos. Obtiveram-se, também, os resultados analíticos para a distribuição do campo de tensões na região da ponta da trinca no ensaio com Corpo de Prova Compacto (CT) em uma amostra de Carboneto de Tungstênio (WC-Co). Estes campos de tensões foram confrontados com os resultados obtidos nas análises numéricas.

Tanto a metodologia de avaliação de KIC através da integral-J, quanto à baseada na correlação dos deslocamentos nodais apresentou sucesso. Com relação a discretização do modelo, percebeu-se que o refinamento de malha na região próxima à trinca influencia no valor numérico de KIC. Dessa forma, teve-se um cuidado maior na geração da malha da região da trinca a fim de se evitar resultados imprecisos. A avaliação através da integral-J forneceu bons resultados, ao contrário do método de correlação dos deslocamentos nodais, que exigiu uma discretização mais cuidadosa, principalmente na primeira fileira de elementos ao redor da ponta da trinca. Também se verificou que o campo de tensões foi semelhante qualitativa e quantitativamente nos dois programas. Finalmente, estes valores de tensão segundo o critério de von Mises, obtidos nos dois softwares, estavam de acordo com os resultados previstos pela teoria da Mecânica da Fratura Linear Elástica.

Instituição de fomento: PIIC/UFSJ, CNPq, FAPEMIG

Trabalho de Iniciação Científica