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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/45252
ORCID: | ![]() |
Document type: | Dissertação |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Estimativa da tenacidade à fratura conforme a ASTM E1820 via elementos finitos |
Alternate title (s): | Estimation of Fracture Toughness in Compliance with ASTM E1820 via Finite Element Analysis |
Author: | Silva, Karina de Paula |
First Advisor: | Arencibia, Rosenda Valdés |
First member of the Committee: | Piratelli Filho, Antonio |
Second member of the Committee: | Bose Filho, Waldek Wladimir |
Summary: | A necessidade de compreender e prever o comportamento dos materiais frente à propagação de trincas é um desafio contínuo, especialmente em aplicações críticas onde falhas podem gerar consequências graves. A abordagem tradicional, baseada em ensaios experimentais, apresenta limitações práticas, como a exigência de corpos de prova específicos, dificultando sua aplicação em determinados contextos. Para contornar esses desafios, este estudo propõe uma alternativa baseada em simulações numéricas realizadas pelo Método de Elementos Finitos (MEF), empregando o software Abaqus. O objetivo principal é desenvolver e validar uma metodologia numérica que permita replicar e, quando necessário, substituir ensaios experimentais para determinação do JIC. A partir de resultados experimentais prévios de tenacidade à fratura realizados em corpos de prova do tipo compacto C(T) fabricados em aço AISI 4340-28 HRC e 40 HRC, é possível estruturar a simulação com condições de contorno e comparar os resultados simulados com os experimentais. O desenvolvimento inclui a modelagem da geometria do corpo de prova, a implementação das propriedades mecânicas de tração do material e a calibração do modelo com base em curvas força-deslocamento e na relação JIC. A metodologia proposta é aplicada para estimar a tenacidade à fratura de dois aços utilizados na fabricação de arames de armaduras. Os resultados obtidos mostram que as simulações numéricas via elementos finitos são eficazes para a determinação da tenacidade à fratura conforme as diretrizes da norma ASTM E1820, uma vez que os valores de JIC simulados apresentam concordância com os dados experimentais. O erro sistemático associado aos valores simulados de JIC é de -12,5 kJ/m2 e de -12,33 kJ/m2 para o AISI 4340- 40 HRC e 28 HRC, respectivamente. Este fato atribui uma boa exatidão ao valor de tenacidade à fratura obtido via simulação. Essa abordagem não apenas se mostra economicamente vantajosa, mas também amplia as possibilidades de análise em casos em que ensaios físicos seriam inviáveis. Este estudo contribui para o avanço das práticas de caracterização de materiais, promovendo maior segurança e eficiência no desenvolvimento e previsão das propriedades mecânicas dos materiais de engenharia, e assim possibilita aos projetistas a seleção mais adequada e rápida dos possíveis materiais. |
Abstract: | The need to understand and predict the behavior of materials under crack propagation remains a continuous challenge, especially in critical applications where failures can lead to severe consequences. The traditional approach, based on experimental testing, presents practical limitations such as the requirement for specific specimen geometries, which hinders its application in certain contexts. To overcome these challenges, this study proposes an alternative approach based on numerical simulations using the Finite Element Method (FEM), implemented through the Abaqus software. The main objective is to develop and validate a numerical methodology capable of replicating and, when necessary, replacing experimental tests for the determination of JIC. Based on previous experimental results of fracture toughness obtained from compact tension C(T) specimens made of AISI 4340 steel at 28 HRC and 40 HRC, it is possible to structure the simulation with appropriate boundary conditions and compare the simulated results with the experimental data. The development includes modeling the specimen geometry, implementing the material's tensile mechanical properties, and calibrating the model based on load-displacement curves and JIC values. The proposed methodology is applied to estimate the fracture toughness of two steels used in the manufacturing of reinforcement wires. The results obtained show that finite element simulations are effective for determining fracture toughness in accordance with the ASTM E1820 standard, as the simulated JIC values are consistent with the experimental data. The systematic error associated with the simulated JIC values is -12.5 kJ/m² for AISI 4340 at 40 HRC and -12.33 kJ/m² for AISI 4340 at 28 HRC, indicating a high degree of accuracy in the simulated fracture toughness values. This approach not only proves to be economically advantageous but also expands the possibilities for analysis in situations where physical testing would be unfeasible. This study contributes to the advancement of material characterization practices, promoting greater safety and efficiency in the development and prediction of the mechanical properties of engineering materials, thus enabling designers to more quickly and appropriately select potential materials. |
Keywords: | Tenacidade à fratura Fracture toughness Integral J J-Integral ASTM E1820 Simulação Numérica Numerical Simulation Método de Elementos Finitos Finite Element Method |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA |
Subject: | Engenharia mecânica |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
Quote: | SILVA, Karina de Paula. Estimativa da tenacidade à fratura conforme a ASTM E1820 via elementos finitos. 2025. 69 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.5093. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.5093 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/45252 |
Date of defense: | 17-Jan-2025 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
Appears in Collections: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica |
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